虚拟存储器是什么

《内存管理》一节，给大家介绍了操作系统的两种内存分配方式，分别为连续分配方式和离散分配方式：

• 连续分配：给程序分配一整块连续、完整的内存空间；
• 离散分配：将程序分成若干页或者若干段，然后分散存储到内存的各个区域。

这两种内存分配方式有一个共同的缺陷，即要求将程序全部载入内存。这也就意味着，程序使用的逻辑地址空间不能超过实际的物理内存空间，否则程序将无法全部进入内存，也就无法运行。但实际场景中，很多软件的运行都需要占用大量的内存空间，比如一些大型的游戏软件。

借助虚拟存储器，操作系统可以轻松解决“小内存”和“大作业”之间的矛盾，使大作业也可以在“小内存”的计算机上正常运行。

什么是虚拟存储器？

虚拟存储器是一种以局部性原理为依据实现的内存管理机制。

所谓局部性原理，是指在程序执行过程中，CPU 无论读指令还是数据，常常出现以下两种情况：

• CPU 执行完某条指令后，过段时间还会执行该指令；CPU 访问了某个存储单元后，过段时间还会访问此存储空间；
• CPU 访问了某个存储空间后，接下来的一段时间内，它访问的往往是该存储单元附近的内存空间。

因此，一个程序的正常执行，没必要事先将所有代码和数据全部装入内存，内存中只存储 CPU 短时间内执行的指令和所需数据即可。

这也就意味着，整个程序可以采用离散存储的方式，一部分指令存储在内存中，供 CPU 短时间内执行；另一部分则存储在外存中，供 CPU 将来执行。对于存放在外存中的程序段，操作系统需要负责以下 2 项工作：

1. 当 CPU 要执行的指令不在内存中时，操作系统需要将所需指令和数据调入内存；
2. 如果内存空间不足，操作系统需要根据既定策略，将内存中暂时不需要执行的指令和数据移到外存，同时将需要的指令和数据移入内存。

这样的内存管理机制，保证程序可以正常执行的同时，有效解决了“小内存”和“大作业”之间的矛盾，常称为虚拟存储管理或者虚拟存储器。虚拟存储器中，将程序执行所占用的内存和一部分外存空间称为虚拟内存。

虚拟存储器具备以下 4 个特征：

• 离散型：内存分配方式采用的是离散分区分配的方式，而不是连续分配的方式。
• 多次性：一个程序的所有指令和数据，需要分批调入内存。
• 交换性：当内存空间不足时，需要将内存中暂时不用的数据移到外存，同时将需要的数据移入内存。
• 虚拟性：虚拟存储器对内存空间实现了逻辑上的扩充，即用户所能使用的内存容量远大于实际的物理内存容量（因为程序的一部分代码存储在外存中）。

虚拟存储器的实现

前面讲过，离散分配的实现方式有 3 种，分别为页式存储、段式存储和段页式存储。相应地，虚拟存储器的实现方式也有 3 种，分别称为页式虚拟存储器、段式虚拟存储器以及段页式虚拟存储器。

页式虚拟存储器是最常见的一种虚拟存储器，简单地理解，页式虚拟存储器就是在页式存储方式的基础上，通过增加请求页面调入功能和页面置换功能实现的一种虚拟存储器。

页式虚拟存储器中，整个程序分页存储在外存中。程序执行开始前，操作系统会将程序的第一个页面加载进内存。执行过程中，操作系统会不断地将 CPU 需要的程序页面加载到内存中，以保证程序的正常执行（请求页面调入功能）。当内存空间不足时，操作系统会根据既定的策略（算法），将暂时不需要的页面移出内存，然后将需要的页面移入内存（页面置换功能）。

页面置换算法

当 CPU 要执行的指令不在内存中时，操作系统负责将所需页面从外存调入内存，整个过程可能发生的意外是：内存的空闲空间太小，无法满足新调入页面的需求。这种情况下，操作系统就需要采用适当的页面置换算法，在内存中找到一些暂时不需要的页面，并将这些页面从内存移至外存，从而为新调入页面腾出足够的内存空间。

不同的页式虚拟存储器，采用的页面置换算法也不相同，常见的置换算法如下表所示。