简述虚拟存储器的原理

随着计算机技术不断的发展，内存和存储器的容量和速度也持续增长。但是，无论如何扩容加速，计算机系统仍然存在许多问题。其中之一是计算机内存的容量有限，无法完全满足计算机运行时所需的内存空间，特别是在运行大型程序或多个程序时更容易出现此问题。因此，虚拟存储器设备的引入成为了解决这一问题的关键。

什么是虚拟存储器？

虚拟存储器是指在操作系统控制下，程序模块可以通过机械硬盘或闪存等外部存储设备支持的技术，将自己部分或全部存储在外部存储器中。虚拟存储器分为两部分：虚拟地址空间和物理地址空间。任何计算机程序都是在虚拟地址空间中运行的，当程序试图读取或写入到虚拟地址时，操作系统便会将虚拟地址转换成物理地址，让程序可以存储和访问数据。

虚拟存储器的原理

虚拟存储器的主要原理是按需分页，即操作系统将物理内存空间划分成一些固定大小的块，称为页面或帧。每个进程都有其自己的地址空间，在该地址空间内，每个部分被划分成同样的大小，并被记录成页。虚拟内存将这些页与物理内存中的页帧相映射。

当一个进程需要引用一个虚拟地址时，操作系统会首先检查这个地址对应的页是否已在物理内存中，这需要检查该页的页表中的记录。如果该页不在物理内存中，则操作系统会将该页从外部存储器加载到物理内存中的一个空闲页帧位置中。当所有可用页帧均已分配，操作系统需要使用换入换出机制，将一部分页从物理内存中移出，释放出空间。

虚拟存储器的优缺点

虚拟存储器具有以下几个优点：

1. 程序可以访问更多的地址空间：虚拟存储器允许操作系统将程序分配到物理内存之外的存储空间中。因此，操作系统的地址空间可以比物理内存空间大得多。

2. 多任务处理能力增强：虚拟存储器利用了分页机制将内存虚拟成多个页，每个程序都可以被加载到不同的页。这使得多个程序可以同时运行，并且不会互相干扰。

3. 节省物理内存：虚拟存储器只需要将程序的一部分存入物理内存中，这比全部存储比较节省物理内存，多个程序共享物理内存也减少了物理内存的需求。

虚拟存储器的缺点包括：

1. 性能问题：由于需要将数据从外部存储器移动到物理内存中，因此需要时间成本。虚拟存储器可能会降低计算机的性能。

2. 系统复杂性：虚拟存储器引入了很多额外的系统机制，如页表和缓存等，使操作系统变得更加复杂。

3. 可移植性问题：虚拟存储器的实现是受限的，即不同的操作系统有不同的实现方法，不同的计算机之间可能存在兼容性问题。