內(nèi)存管理兩部曲之虛擬內(nèi)存管理

傳統(tǒng)存儲管理存在的問題

虛擬內(nèi)存這個東西他為什么會出現(xiàn)？他出現(xiàn)的背景是什么？

前文 內(nèi)存管理兩部曲之物理內(nèi)存管理 提到：隨著用戶程序功能的增加，進程所需要的內(nèi)存空間越來越大，進程空間很容易就突破了物理內(nèi)存的實際大小，導致進程無法運行。

因此，為了解決內(nèi)存不足的情況，緩和大程序與小內(nèi)存之間的矛盾，擴充內(nèi)存容量勢在必行。

可以從物理和邏輯兩方面來考慮擴充內(nèi)存容量，物理擴容沒啥技術含量，需要我們研究的自然是如何從邏輯上擴充內(nèi)存容量。

所謂邏輯擴充，就是說實際上物理內(nèi)存的容量沒有發(fā)生改變，但是它能裝的東西卻變多了，使得用戶看來似乎有一個比實際內(nèi)存大得多的內(nèi)存。

對內(nèi)存的邏輯擴充技術主要有三種：覆蓋技術、交換技術、以及虛擬內(nèi)存（Virtual Memory），也稱為虛擬存儲器。事實上，這些邏輯擴充技術的核心理念都是一致的，研究的都是將哪個進程（或進程的某部分）暫時從內(nèi)存移到外存（磁盤），以騰出內(nèi)存空間供其他進程（或進程的某部分）占用。

覆蓋（Overlay）和交換（Swapping）這兩種存在于早期操作系統(tǒng)中的邏輯擴充技術現(xiàn)在已經(jīng)成為歷史，這里就簡單介紹下：

前文說過，早期操作系統(tǒng)僅將內(nèi)存空間分成兩塊：系統(tǒng)區(qū)（用于存放操作系統(tǒng)相關數(shù)據(jù)）和用戶區(qū)（用于存放用戶進程相關數(shù)據(jù)，內(nèi)存中只能有一道用戶程序，用戶程序獨占整個用戶區(qū)空間，顯然，內(nèi)存空間容不下某個用戶程序的現(xiàn)象常會發(fā)生。

覆蓋技術（Overlay）的基本思想就是：程序運行時并非任何時候都要訪問程序及數(shù)據(jù)的所有部分（尤其是大程序），因此可以把用戶空間（內(nèi)存）分成一個固定區(qū)和一個或多個覆蓋區(qū)。

將程序經(jīng)常活躍的部分放在固定區(qū)，其余部分按調(diào)用關系進行分段：首先將那些即將要用的段放在覆蓋區(qū)，其他段放在外存（磁盤），在需要調(diào)用前由用戶來安排特定的系統(tǒng)調(diào)用將這些放在外存中的段調(diào)入覆蓋區(qū)，替換覆蓋區(qū)中原有的段。

覆蓋技術的缺點顯而易見并且可以說是讓人無法接受的，那就是覆蓋技術是把解決內(nèi)存空間不足的問題交給了用戶。操作系統(tǒng)僅僅為用戶提供將覆蓋段調(diào)入內(nèi)存的系統(tǒng)調(diào)用，但是必須由用戶自己來說明覆蓋哪個段、調(diào)入哪個段。

合著我用個電腦還得算著怎么才能讓我的程序不崩潰？

OK，可以看出來，覆蓋技術其實是用在同一個作業(yè)/進程的不同段之間的，那么不同的作業(yè)/進程之間怎么辦呢？

這就是交換技術的適用場景。

交換技術（Swapping）的基本思想是：空閑進程/作業(yè)主要存儲在外存（磁盤）上，當其中某個進程/作業(yè)需要運行的時候，就將其從磁盤中完整地調(diào)入內(nèi)存，使該進程運行一段時間，然后再把它返回磁盤。所以說當進程/作業(yè)不運行的時候它們是不會占用內(nèi)存的。

事實上，覆蓋和交換技術分別解決了傳統(tǒng)存儲管理（物理內(nèi)存管理）中存在的某個問題：

• 覆蓋技術打破了作業(yè)/進程必須一次性全部裝入內(nèi)存后才能開始運行（一次性）的限制
• 交換技術打破了一旦作業(yè)被裝入內(nèi)存，就會一直駐留在內(nèi)存中，直至作業(yè)運行結束（駐留性）的限制

當然了，Anyway，這兩種邏輯擴充技術已經(jīng)成為歷史，虛擬內(nèi)存技術才是目前的主流，它綜合了這兩種古老技術的特點，單槍匹馬解決了傳統(tǒng)存儲管理中存在的這兩個問題。

什么是虛擬內(nèi)存

有了上述交換技術的鋪墊，理解起虛擬內(nèi)存來也就不那么陌生了。

當然了，在此之前，我一定要著重聲明的是，不要把虛擬內(nèi)存當作一個實際存在的東西，它是一門技術！和交換技術覆蓋技術一樣是一門用來邏輯擴充內(nèi)存空間的技術！

虛擬內(nèi)存技術基于一個非常重要的原理，局部性原理：

1）時間局部性：如果執(zhí)行了程序中的某條指令，那么不久后這條指令很有可能再次執(zhí)行；如果某個數(shù)據(jù)被訪問過，不久之后該數(shù)據(jù)很可能再次被訪問。（因為程序中存在大量的循環(huán)）

2）空間局部性：一旦程序訪問了某個存儲單元，在不久之后，其附近的存儲單元也很有可能被訪問（因為很多數(shù)據(jù)在內(nèi)存中都是連續(xù)存放的，并且程序的指令也是順序地在內(nèi)存中存放的）

基于這個局部性原理，在一個程序裝入內(nèi)存的時候，可以只將這個程序中很快會用到的部分裝入內(nèi)存，暫時用不到的部分仍然留在外存（磁盤），并且程序可以正常執(zhí)行；

而在程序執(zhí)行過程中，當 CPU 所需要的信息不在內(nèi)存中的時候，由操作系統(tǒng)負責將所需信息從外存（磁盤）調(diào)入內(nèi)存，然后繼續(xù)執(zhí)行程序；

如果調(diào)入內(nèi)存的時候內(nèi)存空間不夠，由操作系統(tǒng)負責將內(nèi)存中暫時用不到的信息換出到外存。

以上，就是虛擬內(nèi)存技術。

如何實現(xiàn)虛擬內(nèi)存技術

可以看見，虛擬內(nèi)存允許一個作業(yè)/進程分多次調(diào)入內(nèi)存，那如果采用連續(xù)分配方式，不方便實現(xiàn)，所以虛擬內(nèi)存技術的實現(xiàn)是建立在不連續(xù)分配管理方式之上的。

傳統(tǒng)的基本分頁管理、基本分段管理、基本段頁式管理和虛擬內(nèi)存技術結合，分別稱為請求分頁管理（頁式虛存系統(tǒng)）、請求分段管理（段式虛存系統(tǒng)）、請求段頁式管理（段頁式虛存系統(tǒng)）。

這幾個概念非常容易混淆，其實很容易區(qū)分，記住這句話就 OK，摘自百度百科：

如果不具備請求調(diào)頁、頁面置換的功能，則稱為基本分頁管理（或稱為純分頁管理），它不具有支持實現(xiàn)虛擬內(nèi)存的功能，它要求把每個作業(yè)（進程）全部裝入內(nèi)存后方能運行。

請求分段存儲管理也差不多，它建立在分段存儲管理之上，但增加了請求調(diào)段、段置換功能。

請求調(diào)頁、頁面置換 和 請求調(diào)段、段置換概念差不多，這里以請求調(diào)頁和頁面置換為例解釋下。

• 在程序執(zhí)行過程中，當所訪問的信息不在內(nèi)存時，由操作系統(tǒng)負責將所需信息從外存（磁盤）調(diào)入內(nèi)存，然后繼續(xù)執(zhí)行程序（操作系統(tǒng)要提供請求調(diào)頁的功能， 將內(nèi)存中缺失的頁面從磁盤調(diào)入內(nèi)存 ）；
• 若內(nèi)存空間不夠，由操作系統(tǒng)負責將內(nèi)存中暫時用不到的信息換出到磁盤（操作系統(tǒng)要提供頁面置換的功能， 將暫時用不到的頁面換出磁盤）。

具體來說，在頁式虛存系統(tǒng)中，每當 CPU 要訪問的頁面不在內(nèi)存時，就會產(chǎn)生一個缺頁中斷，然后由操作系統(tǒng)的缺頁中斷處理程序來處理中斷。此時，缺頁的這個進程/作業(yè)就會被阻塞住，放入阻塞隊列，調(diào)頁完成后再將其喚醒，放回就緒隊列。

• 如果內(nèi)存中有空閑塊，則為該進程分配一個空閑塊，將所缺的頁面裝入這個塊中，并修改頁表中相應的頁表項。
• 如果內(nèi)存中沒有空閑塊，則由頁面置換算法選擇一個頁面淘汰，若該頁面在內(nèi)存期間被修改過，則要將其寫回外存，未修改過的頁面不用寫回外存。

可以看出來，這并不是一個簡單的過程，基本分頁管理中的簡單頁表已經(jīng)無法勝任這樣的工作。

我們還是先來回顧下基本分頁管理的頁表，它只有頁號和塊號兩個字段：

請求分頁管理的頁表自然是會復雜不少的：

1）為了實現(xiàn) “請求調(diào)頁” 功能，操作系統(tǒng)需要知道每個頁面是否已經(jīng)調(diào)入內(nèi)存，如果還沒調(diào)入，那么也需要知道該頁面在磁盤中存放的位置。

2）而當內(nèi)存空間不夠時，要實現(xiàn) “頁面置換” 功能，操作系統(tǒng)需要通過某些指標來決定到底換出哪個頁面，有的頁面沒有被修改過，就不用浪費時間寫回磁盤；有的頁面修改過，就需要將磁盤中的舊數(shù)據(jù)覆蓋。因此，操作系統(tǒng)也需要記錄各個頁面是否被修改的信息。

為此，請求分頁管理的頁表中添加了 4 個字段：

• 狀態(tài)位：該頁面是否已調(diào)入內(nèi)存
• 訪問字段：可記錄該頁面最近被訪問過幾次，或記錄上次訪問該頁面的時間，供頁面置換算法換出頁面時參考
• 修改位：該頁面調(diào)入內(nèi)存后是否被修改過
• 外存地址：該頁面在外存中的存放地址

頁面置換算法也是一個很重要的內(nèi)容，本來應該在這篇文章里一起寫的，But 想到 “頁面置換” 問題不僅僅是在虛擬內(nèi)存中存在，在計算機設計的其他領域也會同樣發(fā)生（比如多數(shù)計算機都會把最近使用過的 32 字節(jié)或者 64 字節(jié)存儲塊保存在一個或多個高速緩存中，當這些高速緩存存滿后就必須選取一些塊丟棄掉，以此來存入最新的使用過的存儲塊），所以決定后續(xù)單開一篇文章。