《C虚拟存储器》课件

语言虚拟存储器C虚拟存储器是一种内存管理技术,可以让程序使用比实际物理内存更多的内存地址空间这种技术使得程序能够访问比实际内存大得多的内存空间,从而提高了系统的灵活性和效率虚拟存储器概述扩展内存空间动态内存管理虚拟存储器通过将部分数据存储虚拟存储器能够自动管理内存的在磁盘上，大大扩展了可用的内使用，根据需求将数据动态地在存空间内存和磁盘间移动内存使用效率程序运行透明虚拟存储器提高了内存的利用对用户而言,虚拟存储器的管理率，避免了内存碎片化的问题是透明的,程序可以像在无限内存中运行一样虚拟存储器的工作原理物理内存的分配1虚拟存储器将程序代码和数据分割成小块,并分配到物理内存中地址转换2通过页表或段表,将程序使用的虚拟地址转换成对应的物理地址页面换入换出3按照一定的算法,将暂时不用的页面从物理内存换出到辅助存储器虚拟存储器系统通过动态分配物理内存、地址转换和页面置换等机制,为程序提供了一个连续、大容量的虚拟地址空间这有效地解决了物理内存容量有限的问题,提高了系统的内存利用率和可扩展性虚拟存储器的特点按需调入地址空间扩展虚拟存储器只在需要使用时才将程序和数据从磁盘调入内存,提高了虚拟存储器提供了一个大于实际内存的地址空间,从而让程序可以使内存利用效率用更多内存动态分配透明操作虚拟存储器可以根据程序需求动态分配内存空间,更加灵活high效用户无需关注虚拟存储器的实现细节,可以像使用物理内存一样使用虚拟存储器地址转换机制虚拟地址空间1每个进程都有自己独立的虚拟地址空间,用于存放代码和数据,与其他进程的地址空间隔离地址转换表2操作系统维护页表或段表,记录虚拟地址与物理地址之间的对应关系地址转换过程3当程序访问虚拟地址时,CPU会查询地址转换表,将其转换为对应的物理地址页式虚拟存储器页式内存管理地址翻译页面置换策略效率优化页式虚拟存储器将物理内存划通过页表进行地址翻译,从而当发生页面错误时,需要根据通过硬件支持如快表TLB等分为固定大小的页面块，并为实现虚拟地址到物理地址的转页面置换算法选择牺牲页面并技术,可以提高页式虚拟存储每个页面建立页表以管理虚拟换这样可以提高内存利用将其换出到磁盘,为新页面腾器的地址转换效率,降低页面内存和物理内存的映射关系率,并支持更大的虚拟内存空出空间错误的发生概率间页表结构页表是一种关键数据结构,它映射虚拟地址到物理内存地址每个进程都有自己独立的页表,描述其虚拟地址空间到物理内存的转换关系页表通常存储在内存中,由操作系统管理页表中每个条目包含页号、物理页框号以及页访问权限等信息通过查找页表即可完成虚拟地址到物理地址的转换页表的设计直接影响虚拟存储器的性能和效率页面置换算法最近最少使用LRU这是一种常见的页面置换算法,会根据页面最近的使用情况来选择页面进行替换最久未使用的页面会首先被换出先进先出FIFO这个算法会将最早进入内存的页面首先换出适用于页面引用模式随机的情况最优页面置换算法这是一种理想的算法,会选择将来最长时间内不会被访问的页面进行替换但难以实现最近最少使用算法LRULRU算法简介LRU算法实现LRU算法特点LRU LeastRecently Used算法是一种LRU算法通常使用双向链表和哈希表来实LRU算法简单易实现，能较好地反映最近常用的页面置换算法它基于最近被访问的现当页面被访问时，将其移动到链表头访问情况但对于一些特殊访问模式可能不页面最可能在未来不会被访问的原理，选择部当需要替换页面时，选择链表尾部的页太适用，需要根据实际情况选择合适的页面最长时间未被访问的页面进行替换面进行替换置换算法先进先出算法FIFO简单高效先入先出队列实现简单先进先出FIFO算法是一种最简单且执行FIFO算法使用先入先出的队列数据结构维FIFO算法的实现非常简单,只需要维护一个速度快的页面置换算法它根据进入内存的护内存中的页面当需要置换页面时，会选页面队列,无需复杂的页面访问记录,因此被先后顺序进行页面置换择队首的最老页面进行替换广泛应用于操作系统中最适合页面替换算法最佳适应算法Optimal最近最少使用算法LRUReplacement Algorithm该算法会根据页面的最近访问时间来选择换出的页面,将最长时间这是一种理想的页面替换算法,可未被访问的页面换出这种方式以找出最不会被访问的页面并将能较好地模拟最佳算法的行为其换出,从而达到最佳的性能但它需要未来的页面访问情况,在实际系统中难以实现先进先出算法FIFO该算法会将最早进入内存的页面换出,虽然简单易用,但无法反映页面的访问情况,效果一般页面错误处理页面访问1程序试图访问一个无效的内存页页面错误2CPU检测到页面访问错误页面错误处理3OS接管并执行相应的错误处理程序当程序试图访问一个无效的内存页时,会发生页面错误CPU会检测到这种错误并触发相应的页面错误处理程序操作系统将接管处理,决定是否将该页面调入内存或终止程序执行页面错误处理是虚拟存储器系统的关键部分,确保程序安全地运行缺页中断处理监测页面访问CPU会持续监测内存访问情况,一旦发现访问的页面不在物理内存中,就会触发缺页中断.查找缺失页面操作系统会查找缺失页面所在的位置,通常是在磁盘上的虚拟内存空间.调页入内存找到缺失页面后,操作系统会将其从磁盘调入物理内存,并更新页表信息.恢复进程执行完成页面调入后,操作系统会恢复造成缺页中断的进程的执行.页面置换示例让我们通过一个具体的例子来探讨页面置换算法假设系统中有4个页面框架,初始状态下页面的分布情况如下:•页面框架1页面A•页面框架2页面B•页面框架3页面C•页面框架4页面D此时进程需要访问页面E,但是系统中没有空余的页面框架根据页面置换算法,需要选择一个现有的页面框架来装载新的页面E段式虚拟存储器分段存储管理地址转换机制段表结构段式虚拟存储器将程序和数据段式虚拟存储器采用段基址加存放段基地址、段长度等信息划分为可变长度的段，每个段段内偏移的地址转换机制，实的段表是段式管理的核心数据独立管理这提高了灵活性和现从逻辑地址到物理地址的映结构，决定了地址转换过程空间利用率射段表结构段表是一种用于实现虚拟存储器的数据结构,它记录了每个逻辑段的起始地址和长度信息通过段表,计算机可以将逻辑地址转换为物理地址,实现程序的动态链接和动态装入段表通常以页表的方式组织,每个段都对应一个段表项,存储该段的基地址和界限地址段页式虚拟存储器混合方案段页式虚拟存储器结合了段式和页式两种虚拟存储器的优势,以更灵活的方式管理内存分层地址空间该方案采用分层的地址空间,先进行段间地址映射,再进行段内页面映射地址转换段页式虚拟存储器需要进行双重地址转换,既要进行段表查找,又要进行页表查找地址转换示例逻辑地址1用于程序引用的虚拟内存地址地址转换2通过页表/段表将逻辑地址映射到物理内存地址物理地址3实际存储在内存中的地址通过地址转换机制,CPU可以将程序使用的逻辑地址转换为实际的物理内存地址页表和段表用于存储这种地址映射关系,并由操作系统管理这种虚拟地址到物理地址的转换过程是虚拟存储器的核心功能虚拟存储器优化内存技术进步页面置换算法优化随着内存容量和速度的不断提页面置换算法如LRU、FIFO等升,虚拟存储器性能也得以优化的不断改进,能够更有效地减少和提高页面错误率多级存储器体系预取和缓存技术cache、主存和辅存的分工协利用程序执行的时空局部性,采作,能提高整体存储系统的访问用预取和缓存技术可降低页面错效率误率内存管理技术内存分配碎片整理内存管理技术需要有效地分配内存空合理的内存管理策略可以减少内存碎间,确保程序可以正常运行这包括动片,提高内存利用率,确保程序可以顺利态分配、内存池等方式运行内存优化内存管理优化内存使用是内存管理的核心目标,系统级的内存管理机制包括虚拟内需要调整页面置换算法、缓存管理等存、页面置换算法等,确保程序的正常技术运行和内存使用效率内存分配策略首次适配算法最佳适配算法12从头开始搜索可用内存块,分配第一个符合需求的内存块快搜索所有可用内存块,分配最小满足需求的内存块减少内存速简单但可能造成内存碎片化碎片但速度较慢最坏适配算法可变分区分配34分配最大可用内存块,即使远大于实际需求内存利用率高但根据进程需求动态划分内存,最大程度利用内存复杂度高但可能造成严重碎片化能有效避免碎片化内存碎片化问题内存碎片化概述产生原因内存碎片化是指内存空间中存在频繁的内存申请和释放操作,以及大量不连续的小内存块,无法有效不合理的内存分配策略都可能导利用这会降低系统性能,降低内致内存碎片化存利用效率解决方案定期的内存整理、使用可变分区的内存分配算法,以及页式虚拟存储技术等都可以有效缓解内存碎片化问题常见内存管理算法最近最少使用LRU算先进先出FIFO算法最优页面替换算法随机替换算法法按页面的调入顺序进行替换,尽量选择未来最长时间内不会随机选择一个页面进行替换根据页面的访问历史进行替替换最早调入的页面简单易被访问的页面进行替换可以简单快速,但缺乏针对性,无法换,优先替换最长时间未被访实现,但可能会牺牲部分性获得最佳性能,但难以实现充分利用页面局部性问的页面可以有效减少页面能错误率虚拟存储器性能分析页面错误率页面错误率页面访问时需要从磁较低的页面错误率意盘读取的概率味着更多的引用命中,从而提高系统的性能较高频繁地从磁盘读取页系统性能较差,可能导面致严重的延迟和瓶颈较低大部分页面访问直接系统性能良好,可以提从内存中获取供更快的响应时间页面错误率是衡量虚拟存储器系统性能的关键指标它反映了内存页面访问命中的概率,低的页面错误率意味着更多的引用命中,可大幅提高系统性能平均访问时间10µs1ms100ms内存访问页面访问磁盘访问内存直接访问的平均时间访问页面时需要的平均时间访问硬盘上的页面需要的平均时间虚拟存储器系统中的平均访问时间是由内存访问时间、页面访问时间和磁盘访问时间共同决定的这些时间随着硬件性能的提升而不断缩短,但相对比较而言,磁盘访问时间仍然是最长的性能评估指标性能指标分类页错误率平均访问时间虚拟存储器性能评估包括页错误率、平均访页错误率是衡量虚拟存储器系统性能的重要平均访问时间反映了系统的总体响应速度,问时间等指标这些指标可反映系统性能的指标,代表每访问一个页面时发生缺页的概包括内存访问时间和磁盘访问时间降低该不同方面,有助于全面评估系统效率率,越低越好指标可提高系统性能虚拟存储器应用案例虚拟存储器在企业IT系统中广泛应用,能够提高系统灵活性和资源利用率通过虚拟化技术,企业可以动态分配内存资源,根据业务需求灵活扩展,提高系统效率虚拟存储器在云计算、大数据、人工智能等领域也发挥重要作用,支撑高性能计算任务,满足海量数据存储和复杂算法计算的需求虚拟存储器发展趋势内存容量扩大智能页面置换随着半导体技术的进步,内存容量新的页面置换算法利用机器学习大幅增加,为虚拟存储器提供了更等技术,可以更智能地预测和管理大的缓冲空间页面调度,提高虚拟存储效率异构存储融合内存虚拟化结合快速的固态硬盘和大容量的云计算等新兴技术带动了内存虚机械硬盘,构建分层式虚拟存储架拟化,可动态分配和调度物理内存,构,带来更灵活的存储管理提高资源利用率小结与展望通过前文的详细介绍,我们全面了解了虚拟存储器的工作原理、特点以及相关的地址转换机制和页面置换算法虽然虚拟存储器技术已经广泛应用,但随着数据量的不断增长和计算需求的日益复杂,虚拟存储器技术仍有很大的优化空间和发展前景未来我们可以期待更高效、更智能的虚拟存储器管理技术出现,以满足日益复杂的计算环境。