什么?虚拟存储器是指将物理内存和磁盘空间组合起来,让程序可以运行超出物理内存大小的内存空间,以此来提高计算机的效率、降低机器成本。虚拟存储器的主要处理流程分为物理内存和磁盘之间的页面交换、内存中页面的置换和页面的使用等。实现虚存的核心要点是实现这些处理流程,可见,实现虚存最主要的技术是基于这些核心要点的一系列技术手段和方法,下面从多个角度逐一分析。
一、页面置换算法
页面置换算法是指当物理内存空间已经全部被占满之后,需要从已经存入物理内存空间的页面中挑选出可以被替换出去的页面,腾出一部分物理内存空间供新的页面使用。常见的页面置换算法有FIFO、LRU、LFU、Clock等,每种算法都有自己的优缺点和适用场景。例如,FIFO算法操作简单,但存在Belady现象,即增大物理内存容量可能导致缺页率升高;LRU算法对于最近长时间内没有被使用的页面更加友好,但是LRU算法无法承受时间复杂度较高的实现方式。
二、页面调度
页面调度是指操作系统定期的检查进程管理的内存大小,判断是否需要进行页面置换以腾出物理内存来为新的内存请求做准备的过程。页面调度有两种方式:时间驱动和事件驱动。时间驱动方式是指系统定期的进行内存检测,保留内存中最近最少使用的页面。事件驱动方式是指进程发出内存请求时,进行内存检测,如果内存不足进行页面置换。两种方式的选择取决于具体的系统模型和设计要求等多方面因素。
三、分页技术
分页技术是虚存最重要的支持技术之一。这是通过将存储管理单元(MMU)与CPU中的地址转换机制结合起来,对程序内存空间进行动态分割,从而把程序将要使用的内存区域进行页面化。分页技术大大提高了内存利用率,加快了程序速度,常见的分页技术有基本分页、哈希分页、对等分页和不对等分页等 。其中,哈希分页技术的设计灵活性高,能够实现对数据页和日志页的区分以及索引数据的高效查找等应用场景。
四、节约内存
实现虚拟存储器最需要考虑的问题之一就是如何尽可能地节约内存,减少存储浪费和重复的数据存储。可通过在内存空间中实施各种压缩和归档技术,达到优化内存利用和移动存储的目的。常见的节约内存技术包括按需加载、共享页、碎片整理和压缩存储等,应根据具体的使用环境和系统规模设计最优技术策略。
总之,实现虚存主要依靠在页面置换、页面调度、分页技术和节约内存等方面的技术手段和方法。每种技术都有着自己的优缺点和适用场景,需要在系统模型的设计和应用需求的满足之间找到平衡。未来,虚拟存储器技术将随着计算机硬件和软件技术的不断发展,运用场景和效率上都将进一步提高和扩展。