《虛擬存儲器管理》課件

虛擬存儲器管理什么是虛擬存儲器?概念虛擬存儲器是一種技術(shù)，允許計(jì)算機(jī)使用比物理內(nèi)存更大的地址空間。核心它將部分程序和數(shù)據(jù)存儲在磁盤上，并在需要時將其加載到內(nèi)存中。優(yōu)勢通過將內(nèi)存管理擴(kuò)展到磁盤空間，虛擬存儲器提供了更大的地址空間，可以運(yùn)行更大的程序。虛擬存儲器的作用擴(kuò)大地址空間虛擬存儲器允許程序使用比物理內(nèi)存更大的地址空間，從而可以運(yùn)行更大的程序。提高內(nèi)存利用率虛擬存儲器可以將多個程序的內(nèi)存需求分配到同一個物理內(nèi)存中，從而提高內(nèi)存的利用率。簡化內(nèi)存管理虛擬存儲器將內(nèi)存管理抽象化，簡化了程序員的編程工作。虛擬存儲器的基本原理1地址空間擴(kuò)展虛擬存儲器將程序的地址空間擴(kuò)展到物理內(nèi)存的容量之外，允許程序訪問超出物理內(nèi)存范圍的地址。2頁面/段交換程序代碼和數(shù)據(jù)被分成頁面或段，并存儲在磁盤上。當(dāng)程序需要訪問特定頁面或段時，將其加載到內(nèi)存中。3地址轉(zhuǎn)換通過地址轉(zhuǎn)換機(jī)制，將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址，實(shí)現(xiàn)程序在虛擬地址空間中運(yùn)行，而實(shí)際訪問的是物理內(nèi)存。虛擬存儲器管理的目標(biāo)擴(kuò)大地址空間超越物理內(nèi)存限制，提供更大的虛擬地址空間，滿足用戶程序的內(nèi)存需求。提高內(nèi)存利用率允許多個程序共享內(nèi)存，減少內(nèi)存浪費(fèi)，提高系統(tǒng)整體性能。增強(qiáng)程序安全提供內(nèi)存保護(hù)機(jī)制，防止程序之間互相干擾，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。地址轉(zhuǎn)換機(jī)制邏輯地址由CPU生成的地址，用于訪問虛擬內(nèi)存。物理地址實(shí)際內(nèi)存的地址，用于訪問物理內(nèi)存。地址轉(zhuǎn)換將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址的過程。頁式虛擬存儲管理物理內(nèi)存將物理內(nèi)存劃分為固定大小的頁幀。虛擬內(nèi)存將進(jìn)程的地址空間劃分為相同大小的頁面。頁表建立頁表，記錄頁面在物理內(nèi)存中的地址。頁面替換算法FIFO先進(jìn)先出算法是最簡單的頁面替換算法，它總是替換最先進(jìn)入內(nèi)存的頁面。LRU最近最少使用算法根據(jù)頁面最近使用時間進(jìn)行替換，總是替換最長時間未被訪問的頁面。CLOCK時鐘算法是一種近似LRU的算法，通過使用一個循環(huán)隊(duì)列來跟蹤頁面的使用情況。先進(jìn)先出(FIFO)算法FIFO算法按照頁面進(jìn)入內(nèi)存的先后順序進(jìn)行替換。先進(jìn)入內(nèi)存的頁面，即使其使用頻率較低，也會被優(yōu)先替換。最少最近使用(LRU)算法LRU算法該算法選擇最近最少使用的頁面進(jìn)行替換。優(yōu)勢LRU算法能有效減少頁面置換次數(shù)，提高系統(tǒng)性能。缺點(diǎn)需要維護(hù)一個頁面使用時間列表，增加了系統(tǒng)開銷。時鐘(CLOCK)算法第二機(jī)會算法時鐘算法是FIFO算法的改進(jìn)版本，它給每個頁面添加一個引用位，初始值為0，當(dāng)頁面被訪問時，引用位被設(shè)置為1。指針掃描時鐘算法使用一個指針，指向內(nèi)存中一個頁面，當(dāng)需要替換頁面時，指針開始掃描內(nèi)存，找到第一個引用位為0的頁面進(jìn)行替換。循環(huán)引用如果掃描過程中遇到的所有頁面的引用位都為1，指針會回到內(nèi)存開頭繼續(xù)掃描，直到找到一個引用位為0的頁面進(jìn)行替換。效率時鐘算法比FIFO算法效率更高，因?yàn)樗梢员苊鈱⒆罱辉L問過的頁面替換掉。工作集理論1定義工作集是進(jìn)程在一段時間內(nèi)訪問的頁面集合。2作用通過預(yù)測進(jìn)程未來的訪問行為，提高頁面命中率，減少缺頁率。3應(yīng)用基于工作集的頁面置換算法，更有效地管理內(nèi)存空間。分段式虛擬存儲管理邏輯地址空間分段式虛擬存儲器將程序的邏輯地址空間劃分為多個段，每個段有獨(dú)立的段名和段長度。物理地址空間物理地址空間由多個物理頁幀組成，每個頁幀的大小固定。操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)將邏輯段映射到物理頁幀。段表段表記錄每個段的起始物理地址和長度信息，用于將邏輯地址轉(zhuǎn)換成物理地址。分段頁式虛擬存儲管理1結(jié)合分段和分頁的優(yōu)點(diǎn)既能滿足程序邏輯上的整體性需求，也能有效利用內(nèi)存空間。2邏輯地址由段號、頁號和頁內(nèi)偏移組成提高地址轉(zhuǎn)換效率，方便系統(tǒng)管理。3使用兩級頁表結(jié)構(gòu)先找到段表，再找到對應(yīng)頁表的入口，最終定位到物理地址。離散化內(nèi)存分配碎片化問題內(nèi)存分配會導(dǎo)致空閑內(nèi)存空間分散成小塊，難以有效利用。內(nèi)存管理挑戰(zhàn)碎片化加劇內(nèi)存管理的復(fù)雜性，影響系統(tǒng)性能。分配效率降低即使有足夠的空閑內(nèi)存，也可能無法分配給足夠大的進(jìn)程。大頁面與小頁面大頁面更大的頁面大小可以減少頁面切換次數(shù)，提升性能，但也增加了內(nèi)存碎片的可能性。小頁面更小的頁面大小更容易管理，減少內(nèi)存碎片，但可能會增加頁面切換頻率，降低性能。內(nèi)存空間的分配與回收1分配程序啟動時，操作系統(tǒng)分配內(nèi)存空間。2使用程序運(yùn)行時，使用分配的內(nèi)存空間。3回收程序結(jié)束時，操作系統(tǒng)回收內(nèi)存空間。內(nèi)存碎片化問題外部碎片化可用內(nèi)存被分割成多個小塊，無法分配給較大的進(jìn)程，即使總可用內(nèi)存足夠大。內(nèi)部碎片化已分配給進(jìn)程的內(nèi)存塊中存在一些未使用的空間，無法被其他進(jìn)程使用。虛擬內(nèi)存管理的挑戰(zhàn)內(nèi)存碎片化當(dāng)程序運(yùn)行時，內(nèi)存空間可能被分割成許多小塊，導(dǎo)致可用的連續(xù)內(nèi)存空間不足。性能開銷地址轉(zhuǎn)換、頁面調(diào)度等操作會增加CPU的開銷，影響程序運(yùn)行效率。安全性問題虛擬內(nèi)存管理需要保護(hù)每個進(jìn)程的內(nèi)存空間，防止惡意程序訪問其他進(jìn)程的內(nèi)存。硬件支持虛擬內(nèi)存內(nèi)存管理單元(MMU)MMU是硬件組件，負(fù)責(zé)將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址。它使用頁表或段表來查找虛擬地址對應(yīng)的物理地址。頁表頁表存儲虛擬地址到物理地址的映射關(guān)系。每個進(jìn)程都有自己的頁表，MMU使用頁表來進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換。缺頁中斷當(dāng)MMU發(fā)現(xiàn)需要訪問的頁面不在內(nèi)存中時，會觸發(fā)缺頁中斷。操作系統(tǒng)會處理缺頁中斷，將所需的頁面加載到內(nèi)存。頁表結(jié)構(gòu)頁表是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它存儲了虛擬地址和物理地址之間的映射關(guān)系。頁表通常存儲在內(nèi)存中，并由操作系統(tǒng)管理。每個進(jìn)程都有自己的頁表，以隔離其虛擬地址空間。快表(TLB)快表（TranslationLookasideBuffer，TLB）是一個高速緩存，用于存儲最近訪問的頁面表?xiàng)l目。當(dāng)CPU訪問內(nèi)存時，它首先檢查TLB。如果TLB中包含該頁面的條目，則可以直接獲得物理地址。如果TLB中沒有該頁面的條目，則需要訪問頁表，并將該條目添加到TLB中。TLB可以顯著提高內(nèi)存訪問速度，因?yàn)樗脑L問速度比頁表快得多。缺頁中斷處理1發(fā)現(xiàn)缺頁當(dāng)CPU訪問一個不在內(nèi)存中的頁面時，就會觸發(fā)缺頁中斷。2查找頁面操作系統(tǒng)會檢查磁盤上的頁面是否可用。3加載頁面如果頁面存在，操作系統(tǒng)會將其加載到內(nèi)存。4恢復(fù)執(zhí)行操作系統(tǒng)將CPU恢復(fù)到中斷前的狀態(tài)，繼續(xù)執(zhí)行程序。虛擬內(nèi)存的優(yōu)缺點(diǎn)1優(yōu)點(diǎn)虛擬內(nèi)存允許程序使用比實(shí)際物理內(nèi)存更多的內(nèi)存空間。2優(yōu)點(diǎn)提高了內(nèi)存的利用率，因?yàn)槎鄠€程序可以共享相同的物理內(nèi)存。3優(yōu)點(diǎn)簡化了內(nèi)存管理，程序員無需關(guān)心物理內(nèi)存的分配。4缺點(diǎn)頁面交換會導(dǎo)致性能下降，特別是當(dāng)頁面頻繁交換時。虛擬內(nèi)存系統(tǒng)的性能分析虛擬內(nèi)存系統(tǒng)性能主要由頁面錯誤率、內(nèi)存利用率、CPU使用率和系統(tǒng)吞吐量等指標(biāo)衡量。虛擬內(nèi)存管理與操作系統(tǒng)虛擬內(nèi)存管理是操作系統(tǒng)的核心功能之一.操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理和分配內(nèi)存資源,以確保程序能夠有效運(yùn)行.操作系統(tǒng)通過虛擬內(nèi)存機(jī)制,將物理內(nèi)存擴(kuò)展到磁盤空間,滿足程序運(yùn)行的需要.虛擬內(nèi)存的應(yīng)用場景大型應(yīng)用程序虛擬內(nèi)存使程序員能夠編寫需要大量內(nèi)存的應(yīng)用程序，而無需擔(dān)心物理內(nèi)存的限制。多用戶系統(tǒng)虛擬內(nèi)存允許多個用戶共享系統(tǒng)資源，而無需相互干擾。實(shí)時系統(tǒng)在實(shí)時系統(tǒng)中，虛擬內(nèi)存可以幫助確保關(guān)鍵應(yīng)用程序始終擁有必要的內(nèi)存資源，即使系統(tǒng)處于高負(fù)載狀態(tài)。虛擬內(nèi)存發(fā)展趨勢云計(jì)算與虛擬化云平臺提供更強(qiáng)大的虛擬化技術(shù)，支持動態(tài)調(diào)整虛擬內(nèi)