页式虚拟存储器的工作原理和工作过程

随着计算机的发展，内存容量的增加还无法跟上程序需求的增长速度，为了缓解这个问题，计算机科学家们发明了虚拟存储器。虚拟存储器是指物理内存（实际存在的内存）和磁盘空间（虚拟内存）共同扩展中间形成的一种抽象概念。页式虚拟存储器是虚拟内存的一种实现方式，今天我们将从多个角度分析页式虚拟存储器的工作原理和工作过程。

1. 基本单位：页面

页式虚拟存储器中，物理内存和磁盘空间被分成大小相等的部分，每一部分称为一页。一页的大小通常是2的次幂，如4KB，8KB或16KB。在操作系统中，有一个页表，用于记录页在物理内存中的位置和页在磁盘空间中的位置。

2. 工作原理

当程序需要访问虚拟内存中的某一页时，先查找该页是否在物理内存中。若在，则直接进行访问，否则，将该页从磁盘中读取到物理内存中，并修改页表的记录，表明该页已经在物理内存中。由于物理内存的容量有限，当物理内存中的所有页都被占满时，操作系统会从物理内存中选择一些页与磁盘中的页进行交换，以释放物理内存的空间，使得其他页可以进入物理内存中。

3. 工作过程

页式虚拟存储器的工作过程可以总结为以下几个步骤：

（1）程序访问虚拟内存中的某一页。

（2）检查页表，判断该页是否在物理内存中。

（3）若在物理内存中，则直接访问；否则将该页从磁盘读取到物理内存，并修改页表记录。

（4）若物理内存已满，选择一些页面和磁盘中的页面进行交换。

4. 优缺点分析

优点：页式虚拟存储器实现了程序对物理内存容量的虚拟扩展，使得程序可以使用比物理内存更大的空间；同时也实现了内存中数据的非必要性质，即使程序需要的数据未被保存在物理内存中，其也可以以比磁盘访问速度更快的速度访问数据。

缺点：页式虚拟存储器涉及磁盘读写操作，会增加系统的负担。此外，页式虚拟存储器需要使用一部分内存保存页表，这也会减少系统的可用内存。