考研笔记

虚拟内存的基本概念

3.1 讲的所有方案都有一个共同前提：作业必须全部装入内存才能运行。

这个前提带来两个绕不过去的限制：大作业根本装不下；内存里同时能放的作业数有限，多道程序度上不去。

虚拟内存的思路是取消这个前提——只装一部分，用到别的再说。

机制

传统存储管理的两个特征，恰恰是问题所在

一次性：作业必须一次性全部装入内存才能运行。

驻留性：作业装入后就一直驻留内存，直到运行结束，期间不会被换出（哪怕它有大段代码这辈子都不会执行）。

这两条造成的浪费是巨大的：一个程序里往往有大量很少甚至从不执行的代码——错误处理分支、罕用功能、只在特定条件下走的路径。它们和核心逻辑一起挤占着内存。

局部性原理：为什么”只装一部分”是可行的

虚拟内存能成立，靠的是程序访问行为的一条统计规律：

时间局部性：某条指令或某个数据一旦被访问，不久之后很可能再次被访问。原因是程序中大量存在循环。

空间局部性：一旦某个存储单元被访问，其附近的单元也很可能马上被访问。原因是指令通常顺序执行，数据常以数组等连续结构存放。

由此得出一个关键推论：程序在任一小段时间内，实际访问的地址范围是很窄的。既然如此，内存里只需保留这一小块”当前活跃”的部分，其余留在外存，需要时再调进来即可。

局部性原理同时也是快表 TLB和 Cache 能够有效的共同基础——它们都在赌”刚用过的东西马上还会用”。

虚拟存储器的三个特征

多次性：作业分成多次调入内存，不必一次装完。这是虚拟存储最重要的特征，直接否定了传统方式的”一次性”。

对换性：作业运行过程中，页面可以换进换出，不必全程驻留。对应地否定了”驻留性”。

虚拟性：从逻辑上扩充了内存容量，使用户看到的内存远大于实际内存。

三者的关系是有层次的：多次性和对换性是手段，虚拟性是结果。 而多次性和对换性又都以离散分配为前提——若要求连续，就没法只装一部分。

虚拟内存的实现方式

三种，都是在 3.1 对应方案上加”请求调入”和”置换”功能：

  • 请求分页存储管理（最常用）
  • 请求分段存储管理
  • 请求段页式存储管理

无论哪种，都需要两方面支持：

硬件支持：页表/段表机制、缺页中断机构、地址变换机构。

软件支持：请求调页/调段的软件、页面置换算法等。

边界

哪些管理方式能提供虚拟存储

疑问点：能够提供虚拟存储技术的存储管理方法

提供虚拟存储技术的存储管理方法有哪些？

只有非连续分配方式才能实现虚拟存储：请求分页、请求分段、请求段页式。

连续分配方式（单一连续、固定分区、动态分区）一律不能。

理由要落到”只装一部分”这个动作上：虚拟存储的本质是把作业拆开，一部分在内存、一部分在外存，并且随时可以互换。

而连续分配要求作业在内存中占据一整块连续空间。如果只装入其中一部分，那么：

  • 装哪一部分？装完之后剩下的部分将来放哪儿？
  • 后面调入的部分必须紧挨着前面的，可这块空间早被别人占了

“必须连续”和”只装一部分、随时换进换出”在逻辑上是冲突的。 只有把作业切成互不相干的页（或段），让它们能独立地放在任意位置、独立地换进换出，虚拟存储才有可能。

这条判据的另一种表述：虚拟存储只能基于非连续分配技术——这正是 2012 统考真题的正确选项。

虚拟存储器的容量受什么限制

疑问点：虚拟存储器容量的限制因素

44.【2012 统考真题】下列关于虚拟存储器的叙述中，正确的是（ ）。 A. 虚拟存储只能基于连续分配技术　B. 虚拟存储只能基于非连续分配技术 C. 虚拟存储容量只受外存容量的限制　D. 虚拟存储容量只受内存容量的限制

虚拟存储容量究竟受什么限制？

答案 B。 C 和 D 都错在那个”只”字上。

虚拟存储器的容量同时受两个因素限制，取其中较小者：

① CPU 的寻址范围（地址结构决定）

这是上限。32 位地址最多只能表示 = 4GB 的地址空间——即使你有 1TB 的硬盘，程序也用不了超过 4GB 的虚拟地址，因为地址根本编不出来。

② 内存与外存容量之和

这是实际可用量。虚拟内存的内容总要真实地存在某个地方——不在内存就在外存。两者加起来才是能装下的总量。

所以准确表述是：

虚拟存储容量地址位数内存容量外存容量

逐项排除：

  • C 只受外存限制 ❌ —— 忽略了寻址范围。外存再大，32 位系统也超不过 4GB。
  • D 只受内存限制 ❌ —— 这句话把虚拟存储的意义完全否定了。虚拟存储存在的全部理由就是让容量突破内存的限制；若只受内存限制，它就毫无价值了。
  • A 只能基于连续分配 ❌ —— 恰好说反，见上一条。

虚拟内存 vs 对换（Swapping）

两者都涉及内存与外存之间搬东西，但粒度和时机完全不同：

对换（中级调度）虚拟内存
粒度整个进程单个页面
谁触发内存紧张时，由中级调度决定缺页中断，被动触发
进程状态进入挂起态仍是就绪/运行态
目的提高多道程序度突破内存容量限制

关键差别：对换换出的进程整个不在内存了，它跑不了；而虚拟内存下的进程始终”在运行”，只是某些页恰好不在内存，用到时再调进来。

虚拟性是结果，不是手段

考题常问”虚拟存储器最重要的特征是什么”，答案是多次性，不是虚拟性。

因为虚拟性是多次性和对换性带来的效果，属于结论层面。而多次性才是那个从根本上区别于传统方式的做法。

对照速查

传统存储管理虚拟存储器
一次性（必须全部装入）多次性（分多次调入）← 最重要
驻留性（装入后不换出）对换性（可换进换出）
—虚拟性（逻辑上扩充容量）← 结果
局部性含义来源
时间局部性刚访问过的，不久还会访问循环
空间局部性访问了某处，附近也快被访问顺序执行、数组
能否实现虚拟存储
单一连续、固定分区、动态分区不能（连续要求与”只装一部分”冲突）
请求分页 / 请求分段 / 请求段页式能
虚拟存储容量受两者中的较小值限制
①CPU 寻址范围（地址位数）
②内存容量 + 外存容量

考点

  • 传统方式的两个特征（一次性、驻留性）正是问题所在
  • 局部性原理是虚拟存储可行的理论基础，也是 TLB 与 Cache 的共同基础
  • 虚拟存储三特征，最重要的是多次性；虚拟性是结果
  • 虚拟存储只能基于非连续分配（高频真题）
  • 容量受”寻址范围”与”内外存之和”两者较小值限制，不是”只受”某一个
  • 虚拟内存与对换的区别：页粒度 vs 进程粒度

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