虛擬內(nèi)存的實(shí)現(xiàn)需要建立在離散分配的內(nèi)存管理方式的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)方法有3種：1、請(qǐng)求分頁存儲(chǔ)管理方式；2、請(qǐng)求分段存儲(chǔ)管理方式；3、段頁式存儲(chǔ)管理方式。不管哪種方式，都需要有一定的硬件支持：1、一定容量的內(nèi)存和外存；2、頁表機(jī)制（或段表機(jī)制），作為主要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；3、中斷機(jī)構(gòu)，當(dāng)用戶程序要訪問的部分尚未調(diào)入內(nèi)存，則產(chǎn)生中斷；4、地址變換機(jī)構(gòu)，邏輯地址到物理地址的變換。

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本教程操作環(huán)境：linux7.3系統(tǒng)、Dell G3電腦。

1. 虛擬內(nèi)存概述

傳統(tǒng)存儲(chǔ)管理方式同時(shí)將多個(gè)進(jìn)程保存在內(nèi)存中以便允許多道程序設(shè)計(jì)。它們都具有以下兩個(gè)共同的特征：

• 一次性： 作業(yè)必須一次性全部裝入內(nèi)存后，方能開始運(yùn)行。這會(huì)導(dǎo)致兩種情況發(fā)生：
  1）當(dāng)作業(yè)很大，不能全部被裝入內(nèi)存時(shí)，將使該作業(yè)無法運(yùn)行；
  2）當(dāng)大量作業(yè)要求運(yùn)行時(shí)，由于內(nèi)存不足以容納所有作業(yè)，只能使少數(shù)作業(yè)先運(yùn)行，導(dǎo)致多道程序度的下降。
• 駐留性： 作業(yè)被裝入內(nèi)存后，就一直駐留在內(nèi)存中，其任何部分都不會(huì)被換出，直至作業(yè)運(yùn)行結(jié)束。運(yùn)行中的進(jìn)程，會(huì)因等待 I/O 而被阻塞，可能處于長期等待狀態(tài)。

因此，許多在程序運(yùn)行中不用或暫時(shí)不用的程序（數(shù)據(jù)）占據(jù)了大量的內(nèi)存空間，而一些需要運(yùn)行的作業(yè)又無法裝入運(yùn)行，顯然浪費(fèi)了寶貴的內(nèi)存資源。

1.1 虛擬存儲(chǔ)器的定義和特征

基于局部性原理，在程序裝入時(shí)，可以將程序的一部分裝入內(nèi)存，而將其余部分留在外存，就可以啟動(dòng)程序執(zhí)行。在程序執(zhí)行過程中，當(dāng)所訪問的信息不在內(nèi)存時(shí)，由操作系統(tǒng)將所需要的部分調(diào)入內(nèi)存，然后繼續(xù)執(zhí)行程序。另一方面，操作系統(tǒng)將內(nèi)存中暫時(shí)不使用的內(nèi)容換出到外存上，從而騰出空間存放將要調(diào)入內(nèi)存的信息。

這樣，由于系統(tǒng)提供了部分裝入、請(qǐng)求調(diào)入和置換功能后（對(duì)用戶完全透明），給用戶的感覺是好像存在一個(gè)比實(shí)際物理內(nèi)存大得多的存儲(chǔ)器，稱為虛擬存儲(chǔ)器。

虛擬存儲(chǔ)器的大小由計(jì)算機(jī)的地址結(jié)構(gòu)決定，并非是內(nèi)存和外存的簡單相加。

虛擬存儲(chǔ)器有以下三個(gè)主要特征：

• 多次性：無需在作業(yè)運(yùn)行時(shí)一次性地全部裝入內(nèi)存，而是允許被分成多次調(diào)入內(nèi)存運(yùn)行。
• 對(duì)換性：無需在作業(yè)運(yùn)行時(shí)一直常駐內(nèi)存，而是允許在作業(yè)的運(yùn)行過程中，進(jìn)行換進(jìn)和換出。
• 虛擬性：從邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存的容量，使用戶所看到的內(nèi)存容量，遠(yuǎn)大于實(shí)際的內(nèi)存容量。

1.2 虛擬內(nèi)存技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

虛擬內(nèi)存中，允許將一個(gè)作業(yè)分多次調(diào)入內(nèi)存。

釆用連續(xù)分配方式時(shí)，會(huì)使相當(dāng)一部分內(nèi)存空間都處于暫時(shí)或“永久”的空閑狀態(tài)，造成內(nèi)存資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，而且也無法從邏輯上擴(kuò)大內(nèi)存容量。

因此，虛擬內(nèi)存的實(shí)現(xiàn)需要建立在離散分配的內(nèi)存管理方式的基礎(chǔ)上。虛擬內(nèi)存的實(shí)現(xiàn)有以下三種方式：

• 請(qǐng)求分頁存儲(chǔ)管理
• 請(qǐng)求分段存儲(chǔ)管理
• 段頁式存儲(chǔ)管理

不管哪種方式，都需要有一定的硬件支持。一般需要的支持有以下幾個(gè)方面：

• 一定容量的內(nèi)存和外存。
• 頁表機(jī)制（或段表機(jī)制），作為主要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
• 中斷機(jī)構(gòu)，當(dāng)用戶程序要訪問的部分尚未調(diào)入內(nèi)存，則產(chǎn)生中斷。
• 地址變換機(jī)構(gòu)，邏輯地址到物理地址的變換。

連續(xù)分配方式：指為一個(gè)用戶程序分配一個(gè)連續(xù)的內(nèi)存空間。

• 固定分區(qū)分配：將內(nèi)存空間劃分為若干個(gè)固定大小的區(qū)域，在每個(gè)分區(qū)中只裝入一道作業(yè)，便可以有多道作業(yè)并發(fā)執(zhí)行。缺乏靈活性，會(huì)產(chǎn)生大量的內(nèi)部碎片，內(nèi)存的利用率很低。
• 動(dòng)態(tài)分區(qū)分配：根據(jù)進(jìn)程的實(shí)際需要，動(dòng)態(tài)地為之分配內(nèi)存空間。作業(yè)裝入內(nèi)存時(shí)，把可用內(nèi)存分出一個(gè)連續(xù)區(qū)域給作業(yè)，且分區(qū)的大小正好合適作業(yè)大小的需要。會(huì)產(chǎn)生很多外部碎片。

離散分配方式：將一個(gè)進(jìn)程分散地裝入到許多不相鄰的分區(qū)中，便可充分地利用內(nèi)存。

分頁存儲(chǔ)的概念：

• 頁面、頁框和塊。進(jìn)程中的塊稱為頁或頁面(Page)，具有頁號(hào)；內(nèi)存中的塊稱為頁框（Page Frame，頁框=內(nèi)存塊=物理塊=物理頁面），具有頁框號(hào)。外存也以同樣的單位進(jìn)行劃分，直接稱為塊(Block)。進(jìn)程在執(zhí)行時(shí)需要申請(qǐng)主存空間，就是要為每個(gè)頁面分配主存中的可用頁框，這就產(chǎn)生了頁和頁框的一一對(duì)應(yīng)。各個(gè)頁面不必連續(xù)存放，可以放到不相鄰的各個(gè)頁框中。
• 地址結(jié)構(gòu)：前一部分為頁號(hào)P，后一部分為頁內(nèi)偏移量W。地址長度為32 位，其中0~11位為頁內(nèi)地址，即每頁大小為4KB；12~31位為頁號(hào)，地址空間最多允許有2^20頁。
• 頁表。為了便于在內(nèi)存中找到進(jìn)程的每個(gè)頁面所對(duì)應(yīng)的物理塊，系統(tǒng)為每個(gè)進(jìn)程建立一張頁表，記錄頁面在內(nèi)存中對(duì)應(yīng)的物理塊號(hào)，頁表一般存放在內(nèi)存中。在配置了頁表后，進(jìn)程執(zhí)行時(shí)，通過查找該表，即可找到每頁在內(nèi)存中的物理塊號(hào)?？梢姡摫淼淖饔檬?strong>實(shí)現(xiàn)從頁號(hào)到物理塊號(hào)的地址映射。

2. 請(qǐng)求分頁管理方式實(shí)現(xiàn)虛擬內(nèi)存

請(qǐng)求分頁是目前最常用的一種實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)器的方法。

請(qǐng)求分頁系統(tǒng)建立在基本分頁系統(tǒng)基礎(chǔ)之上，為了支持虛擬存儲(chǔ)器功能而增加了請(qǐng)求調(diào)頁功能和頁面置換功能。

在請(qǐng)求分頁系統(tǒng)中，只要求將當(dāng)前需要的一部分頁面裝入內(nèi)存，便可以啟動(dòng)作業(yè)運(yùn)行。
在作業(yè)執(zhí)行過程中，當(dāng)所要訪問的頁面不在內(nèi)存時(shí)，再通過調(diào)頁功能將其調(diào)入，同時(shí)還可以通過置換功能將暫時(shí)不用的頁面換出到外存上，以便騰出內(nèi)存空間。

為了實(shí)現(xiàn)請(qǐng)求分頁，系統(tǒng)必須提供一定的硬件支持。除了需要一定容量的內(nèi)存及外存的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，還需要有頁表機(jī)制、缺頁中斷機(jī)構(gòu)、地址變換機(jī)構(gòu)。

2.1 頁表機(jī)制

請(qǐng)求分頁系統(tǒng)的頁表機(jī)制不同于基本分頁系統(tǒng)，請(qǐng)求分頁系統(tǒng)在一個(gè)作業(yè)運(yùn)行之前不要求全部一次性調(diào)入內(nèi)存。

因此在作業(yè)的運(yùn)行過程中，必然會(huì)出現(xiàn)要訪問的頁面不在內(nèi)存的情況，如何發(fā)現(xiàn)和處理這種情況是請(qǐng)求分頁系統(tǒng)必須解決的兩個(gè)基本問題。為此，在請(qǐng)求頁表項(xiàng)中增加了四個(gè)字段，分別為：

• 狀態(tài)位 P：用于指示該頁是否已調(diào)入內(nèi)存，供程序訪問時(shí)參考。
• 訪問字段 A：用于記錄本頁在一段時(shí)間內(nèi)被訪問的次數(shù)，或記錄本頁最近己有多長時(shí)間未被訪問，供置換算法換出頁面時(shí)參考。
• 修改位 M：標(biāo)識(shí)該頁在調(diào)入內(nèi)存后是否被修改過。
• 外存地址：用于指出該頁在外存上的地址，通常是物理塊號(hào)，供調(diào)入該頁時(shí)參考。

2.2 缺頁中斷機(jī)構(gòu)

在請(qǐng)求分頁系統(tǒng)中，每當(dāng)所要訪問的頁面不在內(nèi)存時(shí)，便產(chǎn)生一個(gè)缺頁中斷，請(qǐng)求操作系統(tǒng)將所缺的頁調(diào)入內(nèi)存。

此時(shí)應(yīng)將缺頁的進(jìn)程阻塞（調(diào)頁完成喚醒)，如果內(nèi)存中有空閑塊，則分配一個(gè)塊，將要調(diào)入的頁裝入該塊，并修改頁表中相應(yīng)頁表項(xiàng)；若此時(shí)內(nèi)存中沒有空閑塊，則要淘汰某頁（若被淘汰頁在內(nèi)存期間被修改過，則要將其寫回外存)。

缺頁中斷作為中斷同樣要經(jīng)歷，諸如保護(hù)CPU環(huán)境、分析中斷原因、轉(zhuǎn)入缺頁中斷處理程序、恢復(fù)CPU環(huán)境等幾個(gè)步驟。但與一般的中斷相比，它有以下兩個(gè)明顯的區(qū)別：

• 在指令執(zhí)行期間產(chǎn)生和處理中斷信號(hào)，而非一條指令執(zhí)行完后，屬于內(nèi)部中斷。
• 一條指令在執(zhí)行期間，可能產(chǎn)生多次缺頁中斷。

2.3 地址變換機(jī)構(gòu)

請(qǐng)求分頁系統(tǒng)中的地址變換機(jī)構(gòu)，是在分頁系統(tǒng)地址變換機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)虛擬內(nèi)存，又增加了某些功能而形成的。

在進(jìn)行地址變換時(shí)，先檢索快表：

• 若找到要訪問的頁，便修改頁表項(xiàng)中的訪問位（寫指令則還須重置修改位)，然后利用頁表項(xiàng)中給出的物理塊號(hào)和頁內(nèi)地址形成物理地址。
• 若未找到該頁的頁表項(xiàng)，應(yīng)到內(nèi)存中去查找頁表，再對(duì)比頁表項(xiàng)中的狀態(tài)位P，看該頁是否已調(diào)入內(nèi)存，未調(diào)入則產(chǎn)生缺頁中斷，請(qǐng)求從外存把該頁調(diào)入內(nèi)存。

頁表指出邏輯地址中的頁號(hào)與所占主存物理塊號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。頁式存儲(chǔ)管理在用動(dòng)態(tài)重定位方式裝入作業(yè)時(shí)，要利用頁表做地址轉(zhuǎn)換工作。

快表(TLB，Translation Lookaside Buffer)就是存放在高速緩沖存儲(chǔ)器的部分頁表。作為當(dāng)前進(jìn)程頁表的Cache，它的作用與頁表相似，但加快了地址映射速度，提高了訪問速率。

由于采用頁表做地址轉(zhuǎn)換，讀寫內(nèi)存數(shù)據(jù)時(shí)CPU要訪問兩次主存（查詢頁表、訪問目的地址）。

有了快表，有時(shí)只要訪問一次高速緩沖存儲(chǔ)器，一次主存，這樣可加速查找并提高指令執(zhí)行速度。

3. 頁面置換算法

進(jìn)程運(yùn)行時(shí)，若其訪問的頁面不在內(nèi)存而需將其調(diào)入，但內(nèi)存已無空閑空間時(shí)，就需要從內(nèi)存中調(diào)出一頁程序或數(shù)據(jù)，送入磁盤的對(duì)換區(qū)。

選擇調(diào)出頁面的算法就稱為頁面置換算法。好的頁面置換算法應(yīng)有較低的頁面更換頻率，也就是說，應(yīng)將以后不會(huì)再訪問或者以后較長時(shí)間內(nèi)不會(huì)再訪問的頁面先調(diào)出。

3.1 最佳置換算法（OPT）

最佳(Optimal, OPT)置換算法所選擇的被淘汰頁面將是以后永不使用的，或者是在最長時(shí)間內(nèi)不再被訪問的頁面，這樣可以保證獲得最低的缺頁率。

但由于人們目前無法預(yù)知進(jìn)程在內(nèi)存下的若千頁面中哪個(gè)是未來最長時(shí)間內(nèi)不再被訪問的，因而該算法無法實(shí)現(xiàn)，但最佳置換算法可以用來評(píng)價(jià)其他算法。

假定系統(tǒng)為某進(jìn)程分配了三個(gè)物理塊，并考慮有以下頁面號(hào)引用串：
7, 0, 1, 2, 0, 3, 0, 4, 2, 3, 0, 3, 2, 1, 2, 0, 1, 7, 0, 1

進(jìn)程運(yùn)行時(shí)，先將7, 0, 1三個(gè)頁面依次裝入內(nèi)存。進(jìn)程要訪問頁面2時(shí)，產(chǎn)生缺頁中斷，根據(jù)最佳置換算法，選擇第18次訪問才需調(diào)入的頁面7予以淘汰。然后，訪問頁面0時(shí)，因?yàn)橐言趦?nèi)存中所以不必產(chǎn)生缺頁中斷。訪問頁面3時(shí)又會(huì)根據(jù)最佳置換算法將頁面1淘汰……依此類推。從圖中可以看出釆用最佳置換算法時(shí)的情況。

可以看到，發(fā)生缺頁中斷的次數(shù)為9，頁面置換的次數(shù)為6。

3.2 先進(jìn)先出(FIFO)頁面置換算法

優(yōu)先淘汰最早進(jìn)入內(nèi)存的頁面，亦即在內(nèi)存中駐留時(shí)間最久的頁面。

該算法實(shí)現(xiàn)簡單，只需把調(diào)入內(nèi)存的頁面根據(jù)先后次序鏈接成隊(duì)列，設(shè)置一個(gè)指針總指向最早的頁面。但該算法與進(jìn)程實(shí)際運(yùn)行時(shí)的規(guī)律不適應(yīng)，因?yàn)樵谶M(jìn)程中，有的頁面經(jīng)常被訪問。

利用FIFO算法時(shí)進(jìn)行了 12 次頁面置換，比最佳置換算法正好多一倍。

FIFO算法還會(huì)產(chǎn)生當(dāng)所分配的物理塊數(shù)增大而頁故障數(shù)不減反增的異常現(xiàn)象，這是由 Belady于1969年發(fā)現(xiàn)，故稱為Belady異常，如下表所示。

只有FIFO算法可能出現(xiàn)Belady異常，而LRU和OPT算法永遠(yuǎn)不會(huì)出現(xiàn)Belady異常。

3.3 最近最久未使用(LRU)置換算法

最近最久未使用(LRU，Least Recently Used)置換算法選擇最近最長時(shí)間未訪問過的頁面予以淘汰，它認(rèn)為過去一段時(shí)間內(nèi)未訪問過的頁面，在最近的將來可能也不會(huì)被訪問。

該算法為每個(gè)頁面設(shè)置一個(gè)訪問字段，來記錄頁面自上次被訪問以來所經(jīng)歷的時(shí)間，淘汰頁面時(shí)選擇現(xiàn)有頁面中值最大的予以淘汰。

LRU性能較好，但需要寄存器和棧的硬件支持，開銷更大。

LRU是堆棧類的算法。理論上可以證明，堆棧類算法不可能出現(xiàn)Belady異常。FIFO算法基于隊(duì)列實(shí)現(xiàn)，不是堆棧類算法。

3.4 時(shí)鐘(CLOCK)置換算法

LRU算法的性能接近于OPT,但是實(shí)現(xiàn)起來比較困難，且開銷大；FIFO算法實(shí)現(xiàn)簡單，但性能差。所以操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者嘗試了很多算法，試圖用比較小的開銷接近LRU的性能，這類算法都是CLOCK算法的變體。

簡單的CLOCK算法是給每一幀關(guān)聯(lián)一個(gè)附加位，稱為使用位。當(dāng)某一頁首次裝入主存，以及后續(xù)被訪問時(shí)，使用位被置為1。

對(duì)于頁替換算法，用于替換的候選幀集合看做一個(gè)循環(huán)緩沖區(qū)，并且有一個(gè)指針與之相關(guān)聯(lián)。當(dāng)某一頁被替換時(shí)，該指針被設(shè)置成指向緩沖區(qū)中的下一幀。

當(dāng)需要替換一頁時(shí)，操作系統(tǒng)掃描緩沖區(qū)，以查找第一個(gè)使用位為0的一幀。每當(dāng)遇到一個(gè)使用位為1的幀時(shí)，操作系統(tǒng)就將該位重新置為0；如果所有幀的使用位均為1，則指針在緩沖區(qū)中完整地循環(huán)一周，把所有使用位都置為0，并且停留在最初的位置上，替換該幀中的頁。由于該算法循環(huán)地檢查各頁面的情況，故稱為CLOCK算法，又稱為最近未用(Not Recently Used, NRU)算法。

CLOCK算法的性能比較接近LRU，而通過增加使用的位數(shù)目，可以使得CLOCK算法更加高效。在使用位used的基礎(chǔ)上再增加一個(gè)修改位modified，則得到改進(jìn)型的CLOCK置換算法。

每一幀都處于以下四種情況之一：

• 最近未被訪問，也未被修改(u=0, m=0)。

• 最近被訪問，但未被修改(u=1, m=0)。

• 最近未被訪問，但被修改(u=0, m=1)。

• 最近被訪問，被修改(u=1, m=1)。

算法執(zhí)行如下操作步驟：

• 從指針的當(dāng)前位置開始，掃描幀緩沖區(qū)。在這次掃描過程中，對(duì)使用位不做任何修改。選擇遇到的第一個(gè)幀(u=0, m=0)用于替換。

• 如果第1步失敗，則重新掃描，查找(u=0, m=1)的幀。選擇遇到的第一個(gè)這樣的幀用于替換。在這個(gè)掃描過程中，對(duì)每個(gè)跳過的幀，把它的使用位設(shè)置成0。

• 如果第2步失敗，指針將回到它的最初位置，并且集合中所有幀的使用位均為0。重復(fù)第1步，并且如果有必要，重復(fù)第2步。這樣將可以找到供替換的幀。

改進(jìn)型的CLOCK算法優(yōu)于簡單CLOCK算法之處在于替換時(shí)首選沒有變化的頁。由于修改過的頁在被替換之前必須寫回，因而這樣做會(huì)節(jié)省時(shí)間。

4. 頁面分配策略

4.1 駐留集大小

對(duì)于分頁式的虛擬內(nèi)存，在準(zhǔn)備執(zhí)行時(shí)，不需要也不可能把一個(gè)進(jìn)程的所有頁都讀取到主存，因此，操作系統(tǒng)必須決定讀取多少頁。也就是說，給特定的進(jìn)程分配多大的主存空間，這需要考慮以下幾點(diǎn)：

• 分配給一個(gè)進(jìn)程的存儲(chǔ)量越小，在任何時(shí)候駐留在主存中的進(jìn)程數(shù)就越多，從而可以提高處理機(jī)的時(shí)間利用效率。

• 如果一個(gè)進(jìn)程在主存中的頁數(shù)過少，盡管有局部性原理，頁錯(cuò)誤率仍然會(huì)相對(duì)較高。

• 如果頁數(shù)過多，由于局部性原理，給特定的進(jìn)程分配