《虛擬存儲(chǔ)器管理》課件

虛擬存儲(chǔ)器管理什么是虛擬存儲(chǔ)器?概念虛擬存儲(chǔ)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(chǔ)在磁盤(pán)上，并在需要時(shí)將其加載到內(nèi)存中。優(yōu)勢(shì)通過(guò)將內(nèi)存管理擴(kuò)展到磁盤(pán)空間，虛擬存儲(chǔ)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(chǔ)器的作用擴(kuò)大地址空間虛擬存儲(chǔ)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(chǔ)器可以將多個(gè)程序的內(nèi)存需求分配到同一個(gè)物理內(nèi)存中，從而提高內(nèi)存的利用率。簡(jiǎn)化內(nèi)存管理虛擬存儲(chǔ)器將內(nèi)存管理抽象化，簡(jiǎn)化了程序員的編程工作。虛擬存儲(chǔ)器的基本原理1地址空間擴(kuò)展虛擬存儲(chǔ)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(wèn)超出物理內(nèi)存范圍的地址。2頁(yè)面/段交換程序代碼和數(shù)據(jù)被分成頁(yè)面或段，并存儲(chǔ)在磁盤(pán)上。當(dāng)程序需要訪問(wèn)特定頁(yè)面或段時(shí)，將其加載到內(nèi)存中。3地址轉(zhuǎn)換通過(guò)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(wèn)的是物理內(nèi)存。虛擬存儲(chǔ)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(gè)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(wèn)虛擬內(nèi)存。物理地址實(shí)際內(nèi)存的地址，用于訪問(wèn)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(guò)程。頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)管理物理內(nèi)存將物理內(nèi)存劃分為固定大小的頁(yè)幀。虛擬內(nèi)存將進(jìn)程的地址空間劃分為相同大小的頁(yè)面。頁(yè)表建立頁(yè)表，記錄頁(yè)面在物理內(nèi)存中的地址。頁(yè)面替換算法FIFO先進(jìn)先出算法是最簡(jiǎn)單的頁(yè)面替換算法，它總是替換最先進(jìn)入內(nèi)存的頁(yè)面。LRU最近最少使用算法根據(jù)頁(yè)面最近使用時(shí)間進(jìn)行替換，總是替換最長(zhǎng)時(shí)間未被訪問(wèn)的頁(yè)面。CLOCK時(shí)鐘算法是一種近似LRU的算法，通過(guò)使用一個(gè)循環(huán)隊(duì)列來(lái)跟蹤頁(yè)面的使用情況。先進(jìn)先出(FIFO)算法FIFO算法按照頁(yè)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(yè)面，即使其使用頻率較低，也會(huì)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(yè)面進(jìn)行替換。優(yōu)勢(shì)LRU算法能有效減少頁(yè)面置換次數(shù)，提高系統(tǒng)性能。缺點(diǎn)需要維護(hù)一個(gè)頁(yè)面使用時(shí)間列表，增加了系統(tǒng)開(kāi)銷。時(shí)鐘(CLOCK)算法第二機(jī)會(huì)算法時(shí)鐘算法是FIFO算法的改進(jìn)版本，它給每個(gè)頁(yè)面添加一個(gè)引用位，初始值為0，當(dāng)頁(yè)面被訪問(wèn)時(shí)，引用位被設(shè)置為1。指針掃描時(shí)鐘算法使用一個(gè)指針，指向內(nèi)存中一個(gè)頁(yè)面，當(dāng)需要替換頁(yè)面時(shí)，指針開(kāi)始掃描內(nèi)存，找到第一個(gè)引用位為0的頁(yè)面進(jìn)行替換。循環(huán)引用如果掃描過(guò)程中遇到的所有頁(yè)面的引用位都為1，指針會(huì)回到內(nèi)存開(kāi)頭繼續(xù)掃描，直到找到一個(gè)引用位為0的頁(yè)面進(jìn)行替換。效率時(shí)鐘算法比FIFO算法效率更高，因?yàn)樗梢员苊鈱⒆罱辉L問(wèn)過(guò)的頁(yè)面替換掉。工作集理論1定義工作集是進(jìn)程在一段時(shí)間內(nèi)訪問(wèn)的頁(yè)面集合。2作用通過(guò)預(yù)測(cè)進(jìn)程未來(lái)的訪問(wèn)行為，提高頁(yè)面命中率，減少缺頁(yè)率。3應(yīng)用基于工作集的頁(yè)面置換算法，更有效地管理內(nèi)存空間。分段式虛擬存儲(chǔ)管理邏輯地址空間分段式虛擬存儲(chǔ)器將程序的邏輯地址空間劃分為多個(gè)段，每個(gè)段有獨(dú)立的段名和段長(zhǎng)度。物理地址空間物理地址空間由多個(gè)物理頁(yè)幀組成，每個(gè)頁(yè)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(yè)幀。段表段表記錄每個(gè)段的起始物理地址和長(zhǎng)度信息，用于將邏輯地址轉(zhuǎn)換成物理地址。分段頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)管理1結(jié)合分段和分頁(yè)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(hào)、頁(yè)號(hào)和頁(yè)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(jí)頁(yè)表結(jié)構(gòu)先找到段表，再找到對(duì)應(yīng)頁(yè)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(wèn)題內(nèi)存分配會(huì)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(wú)法分配給足夠大的進(jìn)程。大頁(yè)面與小頁(yè)面大頁(yè)面更大的頁(yè)面大小可以減少頁(yè)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(yè)面更小的頁(yè)面大小更容易管理，減少內(nèi)存碎片，但可能會(huì)增加頁(yè)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(dòng)時(shí)，操作系統(tǒng)分配內(nèi)存空間。2使用程序運(yùn)行時(shí)，使用分配的內(nèi)存空間。3回收程序結(jié)束時(shí)，操作系統(tǒng)回收內(nèi)存空間。內(nèi)存碎片化問(wèn)題外部碎片化可用內(nèi)存被分割成多個(gè)小塊，無(wú)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(wú)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(shí)，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(kāi)銷地址轉(zhuǎn)換、頁(yè)面調(diào)度等操作會(huì)增加CPU的開(kāi)銷，影響程序運(yùn)行效率。安全性問(wèn)題虛擬內(nèi)存管理需要保護(hù)每個(gè)進(jìn)程的內(nèi)存空間，防止惡意程序訪問(wèn)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(yè)表或段表來(lái)查找虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址。頁(yè)表頁(yè)表存儲(chǔ)虛擬地址到物理地址的映射關(guān)系。每個(gè)進(jìn)程都有自己的頁(yè)表，MMU使用頁(yè)表來(lái)進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換。缺頁(yè)中斷當(dāng)MMU發(fā)現(xiàn)需要訪問(wèn)的頁(yè)面不在內(nèi)存中時(shí)，會(huì)觸發(fā)缺頁(yè)中斷。操作系統(tǒng)會(huì)處理缺頁(yè)中斷，將所需的頁(yè)面加載到內(nèi)存。頁(yè)表結(jié)構(gòu)頁(yè)表是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它存儲(chǔ)了虛擬地址和物理地址之間的映射關(guān)系。頁(yè)表通常存儲(chǔ)在內(nèi)存中，并由操作系統(tǒng)管理。每個(gè)進(jìn)程都有自己的頁(yè)表，以隔離其虛擬地址空間?？毂?TLB)快表（TranslationLookasideBuffer，TLB）是一個(gè)高速緩存，用于存儲(chǔ)最近訪問(wèn)的頁(yè)面表?xiàng)l目。當(dāng)CPU訪問(wèn)內(nèi)存時(shí)，它首先檢查T(mén)LB。如果TLB中包含該頁(yè)面的條目，則可以直接獲得物理地址。如果TLB中沒(méi)有該頁(yè)面的條目，則需要訪問(wèn)頁(yè)表，并將該條目添加到TLB中。TLB可以顯著提高內(nèi)存訪問(wèn)速度，因?yàn)樗脑L問(wèn)速度比頁(yè)表快得多。缺頁(yè)中斷處理1發(fā)現(xiàn)缺頁(yè)當(dāng)CPU訪問(wèn)一個(gè)不在內(nèi)存中的頁(yè)面時(shí)，就會(huì)觸發(fā)缺頁(yè)中斷。2查找頁(yè)面操作系統(tǒng)會(huì)檢查磁盤(pán)上的頁(yè)面是否可用。3加載頁(yè)面如果頁(yè)面存在，操作系統(tǒng)會(huì)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€(gè)程序可以共享相同的物理內(nèi)存。3優(yōu)點(diǎn)簡(jiǎn)化了內(nèi)存管理，程序員無(wú)需關(guān)心物理內(nèi)存的分配。4缺點(diǎn)頁(yè)面交換會(huì)導(dǎo)致性能下降，特別是當(dāng)頁(yè)面頻繁交換時(shí)。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(yè)面錯(cuò)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(guò)虛擬內(nèi)存機(jī)制,將物理內(nèi)存擴(kuò)展到磁盤(pán)空間,滿足程序運(yùn)行的需要.虛擬內(nèi)存的應(yīng)用場(chǎng)景大型應(yīng)用程序虛擬內(nèi)存使程序員能夠編寫(xiě)需要大量?jī)?nèi)存的應(yīng)用程序，而無(wú)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(gè)用戶共享系統(tǒng)資源，而無(wú)需相互干擾。實(shí)時(shí)系統(tǒng)在實(shí)時(shí)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(shì)云計(jì)算與虛擬化云平臺(tái)提供更強(qiáng)大的虛擬化技術(shù)，支持動(dòng)態(tài)調(diào)整虛擬內(nèi)