操作系统学习笔记 | 5. 虚拟内存
虚拟内存的起因——内存空间不足
随着程序规模的增长，其对内存的需求远远超过了物理内存的发展速度。因此，我们希望能在有限的内存中运行更多程序，而不受物理内存容量的限制。
理想的存储器应当具备以下特性：
更大：能够存储更多数据和程序。
更快：提供更高的访问速度。
更便宜：降低存储成本。
非易失性：断电后数据仍然可以保存。
但实际存储器的情况如下：
内存（RAM）速度快但价格昂贵，容量有限。
硬盘（HDD/SSD）价格低廉但速度较慢。
因此，我们可以引入硬盘作为存储层级的一部分，在操作系统的管理下，利用硬盘的空间来扩展可用内存。
解决内存不足的方案
主要有以下三种方式：
覆盖技术（Overlay）：仅将当前需要执行的部分装入内存，程序员手动管理。
交换技术（Swapping）：将不活动的进程换出到硬盘，系统自动管理。
虚拟存储技术（Virtual Memory）：以更小的粒度进行内存管理，由操作系统负责调度。
覆盖技术
目标：在较小的可用内存里运行较大的程序，通常用于多道程序系统，与分区存储管理配合使用。
原理：
把程序划分为多个独立的模块，并确保不会同时执行的模块共享同一块内存区域。
常用代码和数据常驻内存，不常用部分存放在外存，需要时才加载。
互不依赖的模块可以动态加载和覆盖，以节省内存。
缺点：
开发复杂度较高，需要程序员手动划分模块。
运行时频繁从外存加载模块，导致性能下降（以时间换空间）。
交换技术
目标：多个程序共享内存资源，尽可能让更多的进程运行。
方法：
换出（Swap-out）：把暂时不运行的进程保存到外存，释放内存空间。
换入（Swap-in）：当进程需要执行时，再从外存加载回内存。
示意图如下：
关键问题：
交换时机：尽量减少交换次数，仅在内存不足时进行交换。
交换区域大小：必须足够大，以存储进程的完整地址空间。
地址重映射：进程换入内存后可能位于不同的地址，需要支持动态地址映射。
覆盖 vs 交换
虚拟存储技术
覆盖和交换技术虽然能缓解内存不足的问题，但各自存在局限性：
覆盖技术需要程序员手动管理，开发成本高。
交换技术每次换入换出整个进程，开销较大。
目标：
无需手动划分，由操作系统自动管理。
只加载当前需要的部分，减少内存占用。
支持进程部分换入换出，减少交换开销。
核心思想——程序的局部性原理 程序在执行过程中，访问的指令和数据往往局限在一定范围内，称为局部性原理：
时间局部性（Temporal Locality）：近期访问过的数据很可能在短时间内再次被访问。
空间局部性（Spatial Locality）：一次访问的数据附近的内容很可能也会被访问。
示例代码对比：
// 写法 1（列优先访问）
for(int j = 0; j < 1024; j++){
for(int i = 0; i < 1024; i++){
A[i][j] = 0;
}
}
// 写法 2（行优先访问）
for(int i = 0; i < 1024; i++){
for(int j = 0; j < 1024; j++){
A[i][j] = 0;
}
}分析：
写法 1 会导致 1024 × 1024 次缓存未命中（Cache Miss），因为每次访问的新列数据可能导致缺页。
写法 2 只会发生 1024 次缓存未命中，因为数据按行存储，能充分利用缓存。
虚拟页式内存管理
关键点：
请求分页：按需加载页面，减少内存占用。
页面置换：当内存不足时，选择替换某些页面。
页表项结构：
驻留位：表示该页是否在内存中。
保护位：标识可读、可写、可执行权限。
修改位：记录该页是否被修改过，决定是否需要回写外存。
访问位：记录该页最近是否被访问，辅助页面置换策略。
缺页中断处理流程：
检查是否有空闲页帧，有则直接分配，否则执行页面置换。
如果需要替换某个页面，先检查该页是否被修改过，如果是，则将其写回外存。
将新页面从外存读取到内存中。
更新页表，设置驻留位，并更新物理页帧号。
重新执行被中断的指令。
虚拟内存性能
有效存储器访问时间（EAT）
EAT = TLB 查找时间 + (1 - TLB 命中率) × 页表查找时间 + 缺页率 × 缺页处理时间
影响因素：
TLB（快表）：提高页表查找速度，减少内存访问延迟。
页面置换策略：如 LRU（最近最少使用）等，减少缺页率。
预取策略：提前加载可能访问的页面，提高性能。
过度换页（Thrashing）：如果缺页率过高，系统可能陷入不断换页的低效状态。
总结
虚拟内存通过分页管理，实现按需加载，减少内存占用。
操作系统通过TLB 加速地址映射，降低访存开销。
局部性原理是提高性能的关键，应尽量优化数据访问模式。
合理的页面置换策略能减少缺页，提高系统响应速度。