《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核心虚拟存储器是一种技术，允许计它将部分程序和数据存储在磁盘算机使用比物理内存更大的地址上，并在需要时将其加载到内存空间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提高内存利用率简化内存管理虚拟存储器允许程序使用比物理内存更大虚拟存储器可以将多个程序的内存需求分虚拟存储器将内存管理抽象化，简化了程的地址空间，从而可以运行更大的程序配到同一个物理内存中，从而提高内存的序员的编程工作利用率虚拟存储器的基本原理地址空间扩展1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页面段交换/2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，将其加载到内存中地址转换3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提高内存利用率增强程序安全超越物理内存限制，提供更大的虚拟地址空允许多个程序共享内存，减少内存浪费，提提供内存保护机制，防止程序之间互相干扰间，满足用户程序的内存需求高系统整体性能，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虚拟内存页表将物理内存划分为固定大小的页帧将进程的地址空间划分为相同大小的页面建立页表，记录页面在物理内存中的地址页面替换算法FIFO LRUCLOCK先进先出算法是最简单的页面替换算法最近最少使用算法根据页面最近使用时时钟算法是一种近似LRU的算法，通，它总是替换最先进入内存的页面间进行替换，总是替换最长时间未被访过使用一个循环队列来跟踪页面的使用问的页面情况先进先出算法FIFOFIFO算法按照页面进入内存的先后顺先进入内存的页面，即使其使用频率序进行替换较低，也会被优先替换最少最近使用算法LRU算法优势缺点LRU该算法选择最近最少使用的页面进行替换LRU算法能有效减少页面置换次数，提高系需要维护一个页面使用时间列表，增加了系统性能统开销时钟算法CLOCK第二机会算法指针扫描时钟算法是FIFO算法的改进版本时钟算法使用一个指针，指向内，它给每个页面添加一个引用位存中一个页面，当需要替换页面，初始值为0，当页面被访问时，时，指针开始扫描内存，找到第引用位被设置为1一个引用位为0的页面进行替换循环引用效率如果扫描过程中遇到的所有页面时钟算法比FIFO算法效率更高，的引用位都为1，指针会回到内存因为它可以避免将最近被访问过开头继续扫描，直到找到一个引的页面替换掉用位为0的页面进行替换工作集理论定义作用12工作集是进程在一段时间内访通过预测进程未来的访问行为问的页面集合，提高页面命中率，减少缺页率应用3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物理地址空间段表分段式虚拟存储器将程序的逻辑地址空间物理地址空间由多个物理页帧组成，每个段表记录每个段的起始物理地址和长度信划分为多个段，每个段有独立的段名和段页帧的大小固定操作系统负责将逻辑段息，用于将逻辑地址转换成物理地址长度映射到物理页帧分段页式虚拟存储管理结合分段和分页的优点逻辑地址由段号、页号12和页内偏移组成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提高地址转换效率，方便系统管理使用两级页表结构3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管理挑战分配效率降低内存分配会导致空闲内存空间分散成小碎片化加剧内存管理的复杂性，影响系即使有足够的空闲内存，也可能无法分块，难以有效利用统性能配给足够大的进程大页面与小页面大页面小页面更大的页面大小可以减少页面切换次更小的页面大小更容易管理，减少内数，提升性能，但也增加了内存碎片存碎片，但可能会增加页面切换频率的可能性，降低性能内存空间的分配与回收分配1程序启动时，操作系统分配内存空间使用2程序运行时，使用分配的内存空间回收3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内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，无法被其他进程内存足够大使用虚拟内存管理的挑战内存碎片化性能开销安全性问题当程序运行时，内存空间可能被分割成许地址转换、页面调度等操作会增加CPU虚拟内存管理需要保护每个进程的内存空多小块，导致可用的连续内存空间不足的开销，影响程序运行效率间，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页表缺页中断MMUMMU是硬件组件，负责将虚拟地址转换页表存储虚拟地址到物理地址的映射关系当MMU发现需要访问的页面不在内存中为物理地址它使用页表或段表来查找虚每个进程都有自己的页表，MMU使用时，会触发缺页中断操作系统会处理缺拟地址对应的物理地址页表来进行地址转换页中断，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（Translation LookasideBuffer，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发现缺页1当CPU访问一个不在内存中的页面时，就会触发缺页中断查找页面2操作系统会检查磁盘上的页面是否可用加载页面3如果页面存在，操作系统会将其加载到内存恢复执行4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优点优点12虚拟内存允许程序使用比实际提高了内存的利用率，因为多物理内存更多的内存空间个程序可以共享相同的物理内存优点缺点34简化了内存管理，程序员无需页面交换会导致性能下降，特关心物理内存的分配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,以确保操作系统通过虚拟内存机制,将物理内存扩程序能够有效运行.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多用户系统虚拟内存使程序员能够编写需要虚拟内存允许多个用户共享系统大量内存的应用程序，而无需担资源，而无需相互干扰心物理内存的限制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人工智能优化新型存储技术云平台提供更强大的虚拟化技术，支持动态AI算法可预测内存使用模式，提前分配内存非易失性内存（NVM）等新技术加速数据调整虚拟内存大小，提高资源利用率，减少缺页中断，提升性能访问速度，提升虚拟内存效率课程总结深入理解虚拟存储器管理机制掌握页式、段式、段页式等不同管理方式能够分析虚拟存储器管理的优缺点问答环节欢迎大家积极提问！。