《虚拟存储器管理》课件

虚拟存储器管理什么是虚拟存储器?概念虚拟存储器是一种技术，允许计算机使用比物理内存更大的地址空间。核心它将部分程序和数据存储在磁盘上，并在需要时将其加载到内存中。优势通过将内存管理扩展到磁盘空间，虚拟存储器提供了更大的地址空间，可以运行更大的程序。虚拟存储器的作用扩大地址空间虚拟存储器允许程序使用比物理内存更大的地址空间，从而可以运行更大的程序。提高内存利用率虚拟存储器可以将多个程序的内存需求分配到同一个物理内存中，从而提高内存的利用率。简化内存管理虚拟存储器将内存管理抽象化，简化了程序员的编程工作。虚拟存储器的基本原理1地址空间扩展虚拟存储器将程序的地址空间扩展到物理内存的容量之外，允许程序访问超出物理内存范围的地址。2页面/段交换程序代码和数据被分成页面或段，并存储在磁盘上。当程序需要访问特定页面或段时，将其加载到内存中。3地址转换通过地址转换机制，将虚拟地址转换为物理地址，实现程序在虚拟地址空间中运行，而实际访问的是物理内存。虚拟存储器管理的目标扩大地址空间超越物理内存限制，提供更大的虚拟地址空间，满足用户程序的内存需求。提高内存利用率允许多个程序共享内存，减少内存浪费，提高系统整体性能。增强程序安全提供内存保护机制，防止程序之间互相干扰，提升系统稳定性。地址转换机制逻辑地址由CPU生成的地址，用于访问虚拟内存。物理地址实际内存的地址，用于访问物理内存。地址转换将逻辑地址转换为物理地址的过程。页式虚拟存储管理物理内存将物理内存划分为固定大小的页帧。虚拟内存将进程的地址空间划分为相同大小的页面。页表建立页表，记录页面在物理内存中的地址。页面替换算法FIFO先进先出算法是最简单的页面替换算法，它总是替换最先进入内存的页面。LRU最近最少使用算法根据页面最近使用时间进行替换，总是替换最长时间未被访问的页面。CLOCK时钟算法是一种近似LRU的算法，通过使用一个循环队列来跟踪页面的使用情况。先进先出(FIFO)算法FIFO算法按照页面进入内存的先后顺序进行替换。先进入内存的页面，即使其使用频率较低，也会被优先替换。最少最近使用(LRU)算法LRU算法该算法选择最近最少使用的页面进行替换。优势LRU算法能有效减少页面置换次数，提高系统性能。缺点需要维护一个页面使用时间列表，增加了系统开销。时钟(CLOCK)算法第二机会算法时钟算法是FIFO算法的改进版本，它给每个页面添加一个引用位，初始值为0，当页面被访问时，引用位被设置为1。指针扫描时钟算法使用一个指针，指向内存中一个页面，当需要替换页面时，指针开始扫描内存，找到第一个引用位为0的页面进行替换。循环引用如果扫描过程中遇到的所有页面的引用位都为1，指针会回到内存开头继续扫描，直到找到一个引用位为0的页面进行替换。效率时钟算法比FIFO算法效率更高，因为它可以避免将最近被访问过的页面替换掉。工作集理论1定义工作集是进程在一段时间内访问的页面集合。2作用通过预测进程未来的访问行为，提高页面命中率，减少缺页率。3应用基于工作集的页面置换算法，更有效地管理内存空间。分段式虚拟存储管理逻辑地址空间分段式虚拟存储器将程序的逻辑地址空间划分为多个段，每个段有独立的段名和段长度。物理地址空间物理地址空间由多个物理页帧组成，每个页帧的大小固定。操作系统负责将逻辑段映射到物理页帧。段表段表记录每个段的起始物理地址和长度信息，用于将逻辑地址转换成物理地址。分段页式虚拟存储管理1结合分段和分页的优点既能满足程序逻辑上的整体性需求，也能有效利用内存空间。2逻辑地址由段号、页号和页内偏移组成提高地址转换效率，方便系统管理。3使用两级页表结构先找到段表，再找到对应页表的入口，最终定位到物理地址。离散化内存分配碎片化问题内存分配会导致空闲内存空间分散成小块，难以有效利用。内存管理挑战碎片化加剧内存管理的复杂性，影响系统性能。分配效率降低即使有足够的空闲内存，也可能无法分配给足够大的进程。大页面与小页面大页面更大的页面大小可以减少页面切换次数，提升性能，但也增加了内存碎片的可能性。小页面更小的页面大小更容易管理，减少内存碎片，但可能会增加页面切换频率，降低性能。内存空间的分配与回收1分配程序启动时，操作系统分配内存空间。2使用程序运行时，使用分配的内存空间。3回收程序结束时，操作系统回收内存空间。内存碎片化问题外部碎片化可用内存被分割成多个小块，无法分配给较大的进程，即使总可用内存足够大。内部碎片化已分配给进程的内存块中存在一些未使用的空间，无法被其他进程使用。虚拟内存管理的挑战内存碎片化当程序运行时，内存空间可能被分割成许多小块，导致可用的连续内存空间不足。性能开销地址转换、页面调度等操作会增加CPU的开销，影响程序运行效率。安全性问题虚拟内存管理需要保护每个进程的内存空间，防止恶意程序访问其他进程的内存。硬件支持虚拟内存内存管理单元(MMU)MMU是硬件组件，负责将虚拟地址转换为物理地址。它使用页表或段表来查找虚拟地址对应的物理地址。页表页表存储虚拟地址到物理地址的映射关系。每个进程都有自己的页表，MMU使用页表来进行地址转换。缺页中断当MMU发现需要访问的页面不在内存中时，会触发缺页中断。操作系统会处理缺页中断，将所需的页面加载到内存。页表结构页表是一种数据结构，它存储了虚拟地址和物理地址之间的映射关系。页表通常存储在内存中，并由操作系统管理。每个进程都有自己的页表，以隔离其虚拟地址空间。快表(TLB)快表（TranslationLookasideBuffer，TLB）是一个高速缓存，用于存储最近访问的页面表条目。当CPU访问内存时，它首先检查TLB。如果TLB中包含该页面的条目，则可以直接获得物理地址。如果TLB中没有该页面的条目，则需要访问页表，并将该条目添加到TLB中。TLB可以显著提高内存访问速度，因为它的访问速度比页表快得多。缺页中断处理1发现缺页当CPU访问一个不在内存中的页面时，就会触发缺页中断。2查找页面操作系统会检查磁盘上的页面是否可用。3加载页面如果页面存在，操作系统会将其加载到内存。4恢复执行操作系统将CPU恢复到中断前的状态，继续执行程序。虚拟内存的优缺点1优点虚拟内存允许程序使用比实际物理内存更多的内存空间。2优点提高了内存的利用率，因为多个程序可以共享相同的物理内存。3优点简化了内存管理，程序员无需关心物理内存的分配。4缺点页面交换会导致性能下降，特别是当页面频繁交换时。虚拟内存系统的性能分析虚拟内存系统性能主要由页面错误率、内存利用率、CPU使用率和系统吞吐量等指标衡量。虚拟内存管理与操作系统虚拟内存管理是操作系统的核心功能之一.操作系统负责管理和分配内存资源,以确保程序能够有效运行.操作系统通过虚拟内存机制,将物理内存扩展到磁盘空间,满足程序运行的需要.虚拟内存的应用场景大型应用程序虚拟内存使程序员能够编写需要大量内存的应用程序，而无需担心物理内存的限制。多用户系统虚拟内存允许多个用户共享系统资源，而无需相互干扰。实时系统在实时系统中，虚拟内存可以帮助确保关键应用程序始终拥有必要的内存资源，即使系统处于高负载状态。虚拟内存发展趋势云计算与虚拟化云平台提供更强大的虚拟化技术，支持动态调整虚拟内