虛擬記憶體

起因：程式規模的增長速度遠遠大於儲存器容量的增長速度。

理想中的儲存器：容量更大、速度更快、價格更便宜的非易失性儲存器 。

實際中的儲存器：

對於記憶體的非易失性儲存還做不到。

計算機系統時常出現記憶體空間不夠用：

覆蓋（overlay）：應用程式手動把需要的指令和資料儲存在記憶體中，只把需要的指令和資料儲存在記憶體中。

交換（swapping）：作業系統自動把暫時不能執行的程式儲存到外存中，把整個程式匯入匯出開銷太大

虛擬儲存：在有限容量的記憶體中，以頁為單位自動裝入更多更大的程式。

覆蓋技術：

目標：在較小的可用記憶體中執行較大的程式，常用於多道程式系統，與分割槽儲存管理配合使用。    背景：早期，DOS，硬體只有640kb的記憶體，軟體幾十k，大的上兆。

方法：依據程式邏輯結構，將程式劃分為若干功能相對獨立的模組；將不會同時執行的模組共享同一塊記憶體區域

• 必要部分（常用功能）的程式碼和資料常駐記憶體

• 可選部分（不常用功能）放在其他程式模組中,只在需要用到時裝入記憶體

• 不存在呼叫關係的模組可相互覆蓋，共用同一塊記憶體區域

B和C不會同時執行，不具有呼叫關係，分在一個區。同理D、E和F也一樣。

缺點：1.增加程式設計困難：需程式設計師劃分功能模組，並確定模組間的覆蓋關係，增加了程式設計的複雜度；

          2.增加執行時間，從外存裝入覆蓋模組，時間換空間

交換技術：

背景：UNIX，讓OS管理而不是程式設計師管理，以執行的程式為單位。

目標：多道程式在記憶體中時，讓正在執行的程式或需要執行的程式有更多的記憶體資源。

方法：可將暫時不能執行的程式送到外存以獲得空閒記憶體空間，作業系統在記憶體管理單元MMU幫助下把一個程序的整個地址空間的內容儲存到外存中（換出swap out），而將外存中的某個程序的地址空間讀入到記憶體中（換入swap in）。其大小為整個程式的地址空間（比較大，幾十幾百個頁，開銷大）。

何時交換？ 

硬碟操作很慢，一動系統就要等，所以要當記憶體空間確實不夠，或者有不夠的危險時換出

交換區的大小？ 

極端下是記憶體中只留一個程式，其餘都在交換區。交換區必須夠大以存放所有使用者程序的所有記憶體映像的拷貝；必須能對這些記憶體映像直接存取

程式換入時重定位：再次換入的記憶體地址一定要在原來位置上嗎？ 

不一定，可能已被佔用，，實體地址變化了，要正確定址，需要動態地址對映，建立好頁表，虛擬地址一樣，實體地址不一樣。

覆蓋、交換的比較： 目標一樣，使得大的程式或者更多的程式跑在有限的空間內。採取技術不一樣

• 覆蓋是發生在一個執行中的程式內部沒有呼叫關係的模組之間，代價是程式設計師手動指定和劃分邏輯覆蓋結構；
• 交換髮生在記憶體中程式與管理程式或OS之間，以程序作為交換的單位，需要把程序的整個地址空間都換進換出，對程式設計師是透明的，減輕程式設計師負擔，開銷相對較大。

虛擬記憶體：

目標：

• 像覆蓋技術那樣，不是把程式的所有內容都放在記憶體中，因而能夠執行比當前的空閒記憶體空間還要大的程式，但做的更好，由作業系統來完成，無需程式設計師干涉。
• 像交換技術那樣，能夠實現程序在記憶體和外村之間的交換，因而獲得更多的空閒記憶體空間，但做的更好，只對程序的部分內容在記憶體與外存之間進行交換。

程式的區域性性原理（principle of locality）：指程式在執行過程的一個較短時期，所執行的指令的地址，指令的運算元地址，分別侷限於一定區域。表現為：

• 時間區域性性：一條指令的一次執行和下次執行，一個數據的一次訪問和下次訪問都在較短時間內；
• 空間區域性性：當前指令和鄰近的幾條指令，當前訪問的資料和鄰近的幾個資料都集中在一個較小區域內。

程式的區域性性原理表明，從理論上虛擬儲存技術是能夠實現的。

eg:

程式設計對缺頁率的影響： 一個二維陣列a[i][j]，C預設的先行後列排列法，每一行放在一個頁面中。 

for(j=0;j<1024;j++){
   for(i=0;i<1024;i++){
        a[i][j]=0;
    }
 }

甲方法產生1024*1024次缺頁中斷；乙方法則僅1024次。

注意：一頁是4K。

虛存技術：可以在頁式或者段式記憶體管理的基礎上實現

• 在裝入程式時，不必將其全部裝入記憶體中，只把當前需要執行的部分頁或段裝入記憶體，就可以開始執行； 
• 在程式執行的過程中，如果需要執行的指令或資料不在記憶體上時（缺頁、缺段異常），由處理器通知作業系統，若有空餘空間則將相應的頁面或段調入記憶體，繼續執行； 
• 另一方面，os將記憶體中暫時不用的頁、段調出記憶體儲存在外存上以騰出空閒空間存放將要裝入的程式以及將要調入的頁面或段。

• 大的使用者空間：記憶體可以小，硬碟必須足夠。提供給使用者的虛擬空間=實體記憶體+硬碟。
• 部分交換：swap in /swap out 是對部分虛擬地址空間進行的
• 不連續：實體記憶體分配的不連續，虛擬空間使用的不連續（某些資料被換出，OS解決內外存）

虛擬技術——虛擬頁式記憶體管理

• 大部分虛擬儲存系統多采用虛擬頁式儲存管理技術，即在頁式儲存管理的基礎上，增加了請求調頁和頁面置換功能
  
• 基本思路：當一個使用者程式要調入記憶體執行時，不是將該程式的所有頁面都裝入記憶體，只裝入部分頁面即可啟動程式。在執行程式的過程中，如果要發現要執行的程式和資料不在記憶體即頁表某項invalid，則會丟擲異常，向系統發出缺頁中斷請求，OS根據產生異常的地址找到對應在外存中的頁面調入，使得繼續執行。

頁表表項：

• 駐留位：表示該頁是在記憶體還是外存，為1，該頁在記憶體；0，在外存，如果訪問該頁表項，會導致缺頁中斷；
• 保護位：表示允許對該頁做何種型別的訪問，如只讀，可讀寫，可執行；
• 修改位：表示此頁在記憶體中是否被修改過。當系統回收物理頁面時據此決定是不是把內容寫回外存；修改位的使用提高置換功能的效率。
• 訪問位：如果該頁被訪問過（讀、寫）設1，用於頁面置換演算法。儘量置換沒有被訪問的頁。

缺頁異常（缺頁中斷）的處理流程：

在何處儲存未被對映的頁？ 

• 能簡單地識別在二級儲存器中的頁；
• 交換空間（磁碟/檔案）：特殊格式，用於儲存未被對映的頁面

後備儲存（backing store），二級儲存 

• 資料：一個虛擬地址空間的頁面可以被對映到一個（在二級儲存中）檔案的某個位置； 
• 程式碼段：對映到可執行二進位制檔案； 
• 動態載入的共享庫程式段：對映到動態呼叫的庫檔案 
• 其他段：（動態產生的資料，是沒與檔案直接對應的記憶體內容→硬碟上專門開一個區swap file）可能被對映到交換檔案(swap file)

虛擬記憶體效能