虛擬記憶體系統

虛擬記憶體是指在記憶體貯器容量不夠大的計算機中，為給用戶提供更大的隨機訪問空間而採用的一種軟體設計技巧。虛擬記憶體系統是指管理和分配用戶程式虛擬記憶體的程式。虛擬記憶體系統出現的原因有記憶體容量不大和程式局部性原理。

基本介紹

• 中文名：虛擬記憶體系統
• 外文名：Virtual Memory System
• 學科：計算機
• 定義：管理和分配虛擬記憶體的程式
• 有關術語：虛擬記憶體
• 領域：作業系統

簡介

虛擬記憶體系統是指管理和分配用戶程式虛擬記憶體的程式，具有請求調入功能和置換功能，能從邏輯上對記憶體容量加以擴充的一種存儲器系統。其邏輯容量由記憶體容量和外存容量之和所決定，其運行速度接近於記憶體速度，而每位的成本卻又接近於外存。虛擬記憶體系統的實現方法有分頁請求系統和請求分段系統。

常規存儲器管理方式的特徵

(1) 一次性。在前面所介紹的幾種存儲管理方式中，都要求將作業全部裝入記憶體後方能運行，即作業在運行前需一次性地全部裝入記憶體，而正是這一特徵導致了上述兩種情況的發生。此外，還有許多作業在每次運行時，並非其全部程式和數據都要用到。如果一次性地裝入其全部程式，也是一種對記憶體空間的浪費。

(2) 駐留性。作業裝入記憶體後，便一直駐留在記憶體中，直至作業運行結束。儘管運行中的進程會因 I/O 而長期等待，或有的程式模組在運行過一次後就不再需要(運行)了，但它們都仍將繼續占用寶貴的記憶體資源。

由此可以看出，上述的一次性及駐留性，使許多在程式運行中不用或暫不用的程式(數據)占據了大量的記憶體空間， 使得一些需要運行的作業無法裝入運行。 現在要研究的問題是：一次性及駐留性在程式運行時是否是必需的。

局部性原理

早在 1968 年，Denning.P 就曾指出：程式在執行時將呈現出局部性規律，即在一較短的時間內，程式的執行僅局限於某個部分；相應地，它所訪問的存儲空間也局限於某個區域。他提出了下述幾個論點：

(1) 程式執行時，除了少部分的轉移和過程調用指令外，在大多數情況下仍是順序執行的。該論點也在後來的許多學者對高級程式設計語言(如 FORTRAN 語言、PASCAL 語言)及 C 語言規律的研究中被證實。

(2) 過程調用將會使程式的執行軌跡由一部分區域轉至另一部分區域，但經研究看出，過程調用的深度在大多數情況下都不超過 5。這就是說，程式將會在一段時間內都局限在這些過程的範圍內運行。

(3) 程式中存在許多循環結構，這些雖然只由少數指令構成，但是它們將多次執行。

(4) 程式中還包括許多對數據結構的處理，如對數組進行操作，它們往往都局限於很小的範圍內。

局限性還表現在下述兩個方面：

(1) 時間局限性。如果程式中的某條指令一旦執行，則不久以後該指令可能再次執行；如果某數據被訪問過，則不久以後該數據可能再次被訪問。產生時間局限性的典型原因是由於在程式中存在著大量的循環操作。

(2) 空間局限性。一旦程式訪問了某個存儲單元，在不久之後，其附近的存儲單元也將被訪問，即程式在一段時間內所訪問的地址，可能集中在一定的範圍之內，其典型情況便是程式的順序執行。

實現方法

分頁請求系統

這是在分頁系統的基礎上， 增加了請求調頁功能和頁面置換功能所形成的頁式虛擬存儲系統。它允許只裝入少數頁面的程式(及數據)，便啟動運行。以後，再通過調頁功能及頁面置換功能，陸續地把即將要運行的頁面調入記憶體，同時把暫不運行的頁面換出到外存上。置換時以頁面為單位。為了能實現請求調頁和置換功能，系統必須提供必要的硬體支持和相應的軟體。

硬體支持

主要的硬體支持有：

① 請求分頁的頁表機制，它是在純分頁的頁表機制上增加若干項而形成的，作為請求分頁的數據結構；

② 缺頁中斷機構， 即每當用戶程式要訪問的頁面尚未調入記憶體時， 便產生一缺頁中斷，以請求 OS 將所缺的頁調入記憶體；

③ 地址變換機構，它同樣是在純分頁地址變換機構的基礎上發展形成的。

實現請求分頁的軟體

這裡包括有用於實現請求調頁的軟體和實現頁面置換的軟體。它們在硬體的支持下，將程式正在運行時所需的頁面(尚未在記憶體中的)調入記憶體， 再將記憶體中暫時不用的頁面從記憶體置換到磁碟上。

請求分段系統

這是在分段系統的基礎上，增加了請求調段及分段置換功能後所形成的段式虛擬存儲系統。它允許只裝入少數段(而非所有的段)的用戶程式和數據，即可啟動運行。以後再通過調段功能和段的置換功能將暫不運行的段調出， 同時調入即將運行的段。 置換是以段為單位進行的。為了實現請求分段，系統同樣需要必要的硬體支持。一般需要下列支持：

(1) 請求分段的段表機制。這是在純分段的段表機制基礎上增加若干項而形成的。

(2) 缺段中斷機構。每當用戶程式所要訪問的段尚未調入記憶體時，產生一個缺段中斷，請求 OS 將所缺的段調入記憶體。

(3) 地址變換機構。

與請求調頁相似，實現請求調段和段的置換功能也須得到相應的軟體支持。

特徵

多次性

多次性是指一個作業被分成多次調入記憶體運行，亦即在作業運行時沒有必要將其全部裝入，只需將當前要運行的那部分程式和數據裝入記憶體即可；以後每當要運行到尚未調入的那部分程式時，再將它調入。多次性是虛擬存儲器最重要的特徵，任何其它的存儲管理方式都不具有這一特徵。因此，我們也可以認為虛擬存儲器是具有多次性特徵的存儲器系統。

對換性

對換性是指允許在作業的運行過程中進行換進、換出，亦即，在進程運行期間，允許將那些暫不使用的程式和數據，從記憶體調至外存的對換區(換出)，待以後需要時再將它們從外存調至記憶體(換進)；甚至還允許將暫時不運行的進程調至外存，待它們重又具備運行條件時再調入記憶體。換進和換出能有效地提高記憶體利用率。可見，虛擬存儲器具有對換性特徵。

虛擬性

虛擬性是指能夠從邏輯上擴充記憶體容量，使用戶所看到的記憶體容量遠大於實際記憶體容量。這是虛擬存儲器所表現出來的最重要的特徵，也是實現虛擬存儲器的最重要的目標。值得說明的是，虛擬性是以多次性和對換性為基礎的，或者說，僅當系統允許將作業分多次調入記憶體，並能將記憶體中暫時不運行的程式和數據換至盤上時，才有可能實現虛擬存儲器；而多次性和對換性又必須建立在離散分配的基礎上。