虚拟存储器的基本概念

虚拟存储器的基本原理虚拟存储器是一种计算机系统的组成部分，它扩展了计算机的主存储器，使得计算机可以同时执行更多的程序，提高了计算机的性能和效率。

虚拟存储器的基本原理包括内存管理、地址转换、页面置换和磁盘交换等。

首先，虚拟存储器的内存管理是通过将主存划分成固定大小的块，称为页（Page），与此同时，将磁盘划分成与页大小相等的块，称为页框（Page Frame）。

当一个程序被加载到内存时，将会依次将程序的页放入内存的页框中。

这种将程序划分为页的方式称为分页管理。

虚拟存储器的核心概念是虚拟地址和物理地址的转换。

每个进程都有自己的虚拟地址空间，虚拟地址是由进程所见到的地址，而不是物理内存的地址。

虚拟地址由两部分组成，即页号和页内偏移。

页号表示进程中的某个页面，页内偏移表示页面中的具体位置。

虚拟地址被通过一种页表机制转换为物理地址。

页面置换是虚拟存储器中重要的一环。

由于程序的页可能无法一次加载到内存中，因此当一个程序在执行过程中需要访问一个尚未调入内存的页面时，就会发生缺页中断（Page Fault）。

操作系统会根据缺页中断处理程序来选择进行页面置换。

常用的页面置换算法有最佳置换算法（OPT）、先进先出置换算法（FIFO）、最近最久未使用置换算法（LRU）等。

磁盘交换是虚拟存储器中的重要机制。

当物理内存不足以容纳所有的进程或者进程所需的数据时，操作系统会将一部分进程或者数据从内存交换到磁盘上，以释放物理内存空间给其他进程使用。

这种将页面从内存交换到磁盘的过程称为页面换出（Page Out），相反的过程称为页面换入（Page In）。

通过磁盘交换，计算机可以在有限的物理内存下运行更多的任务。

虚拟存储器的使用带来了诸多优势。

首先，它能够扩展主存的容量，使得计算机可以执行更多的程序。

其次，虚拟存储器可以提高内存的利用率，避免内存浪费。

同时，它允许多个进程共享同一份代码，减少内存占用。

另外，虚拟存储器还可以实现对进程的保护和隔离，使得不同的进程在执行过程中不会相互干扰。

虚拟存储的名词解释虚拟存储是计算机科学领域中的一个重要概念，它是指通过逻辑上的存储空间组织与管理物理上的主存和辅助存储设备，以实现多道程序设计和更高效的内存利用。

虚拟存储的出现与计算机硬件性能与软件需求之间的矛盾密切相关，它使得计算机能够在有限的内存资源下，处理更多的程序和数据。

虚拟存储的核心思想是将虚拟地址空间和物理地址空间进行映射，通过页表机制实现。

操作系统会将程序需要访问的虚拟地址空间划分成大小相等的页面，同时将主存划分成和虚拟地址空间同样大小的物理页面，并通过页表记录这两者之间的映射关系。

当程序运行时，只有当前需要的页面会被加载到主存中，其他页面则存储在磁盘等辅助存储设备中，从而充分利用计算机的内存资源。

虚拟存储的引入带来了许多好处。

首先，它允许程序的地址空间超出物理内存的大小。

在之前的计算机系统中，主存的大小限制了程序的规模，而虚拟存储的应用使得程序能够在更大的地址空间中运行。

其次，虚拟存储对于多道程序设计非常重要。

多道程序设计允许多个程序同时运行，而虚拟存储通过将程序的页面划分成更小的单位，使得每个程序可以在内存中运行的页面数量更多，从而提高了多道程序设计的效率。

最后，虚拟存储的引入也加强了对内存的保护和安全性，每个程序只能访问自己的虚拟地址空间，不会干扰其他程序的运行。

虚拟存储的实现离不开硬件和软件的协同工作。

在硬件方面，计算机需要支持分页机制和内存管理单元（MMU）等功能，从而实现虚拟地址空间和物理地址空间的映射。

而在软件方面，操作系统需要提供相应的内存管理策略和算法，例如页面置换算法，用于在主存空间不足时决定将哪些页面置换出去。

在虚拟存储中，常用的页面置换算法有最佳置换算法、先进先出（FIFO）算法、最近最久未使用（LRU）算法等。

最佳置换算法是一种理论上最优的算法，它会选择未来不会再被使用的页面进行置换，但由于未来的行为很难预测，该算法难以实现。

FIFO算法会按照页面进入主存的顺序进行置换，但它没有考虑各个页面的使用频率，可能导致常用的页面被置换出去。

虚拟存储器的基本构成虚拟存储器是计算机系统中的一个重要组成部分，它扩展了计算机的存储容量，提高了系统的性能和可用性。

虚拟存储器由主存储器和辅助存储器两部分组成，通过一系列的管理机制，使得程序能够以透明的方式访问较大容量的存储空间。

1. 主存储器主存储器是虚拟存储器的核心组成部分，也是计算机系统中最快的存储器。

它通常由DRAM（动态随机存取存储器）构成，用于存储当前正在执行的程序和数据。

主存储器通过地址总线和数据总线与CPU直接连接，可以快速地读写数据。

虚拟存储器通过将主存储器的地址空间划分为若干固定大小的页面（page）来管理主存储器的使用。

2. 辅助存储器辅助存储器是虚拟存储器的扩展部分，它通常由硬盘、固态硬盘（SSD）等设备构成。

辅助存储器的容量远大于主存储器，用于存储不常用的程序和数据。

辅助存储器的读写速度较慢，但它具有持久性，数据不会因为断电而丢失。

虚拟存储器通过将辅助存储器的地址空间划分为若干固定大小的页面来管理辅助存储器的使用。

3. 页面表页面表是虚拟存储器管理的关键数据结构，用于记录主存储器和辅助存储器之间的映射关系。

每个页面表由多个页表项组成，每个页表项记录了一个页面在主存储器和辅助存储器中的对应位置。

当程序访问一个虚拟地址时，操作系统会通过页面表查找对应的物理地址，并将数据从主存储器或辅助存储器中读取出来。

4. 页面置换算法由于主存储器的容量有限，当主存储器中的页面不足以存放所有正在运行的程序和数据时，就需要使用页面置换算法将部分页面从主存储器中换出到辅助存储器中。

常用的页面置换算法有最佳（OPT）、先进先出（FIFO）、最近未使用（LRU）等。

这些算法根据页面的访问模式和重要性来决定换出哪些页面，以保证系统的性能和可用性。

5. 页面调度算法页面调度算法用于确定哪些页面应该被加载到主存储器中。

常用的页面调度算法有最低频率优先（LFU）、先进先出（FIFO）、最近最久未使用（LRU）等。

计算机操作系统2016复习资料1.操作系统的基本特征P5采用多道程序设计技术的现代操作系统都具有如下的基本特征。

1）并发性（名词解释）并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。

在多道处理程序额环境下，并发性是指一段时间内，宏观上有多个程序在同时进行。

2）共享性（名词解释）共享性是指系统中的资源可供内存中多个并发程序执行的进程同时使用。

根据资源性质的不同可将资源共享分为以下两种。

1）互斥共享。

系统中可供共享的某些资源，如打印机，变量，队列等，一段时间内只能给一个进程使用，只有当这个进程使用完毕并且释放资源后，其他进程才能使用它们。

2）同时访问。

系统中的另一类资源，如磁盘，可写入代码等，它们在同一段时间内可以被多个进程同时访问。

虽然这种同时是指宏观上的同时，微观上可能时进程交替地访问该资源，但进程交替访问资源的顺序不会影响访问的结果。

3）虚拟性（名词解释）虚拟性是指通过某种技术，将一个物理实体变成若干个逻辑上的对应物。

4）异步性（名词解释）异步性是指在多道程序的环境下，每个程序何时执行、何时暂停都是未知的，即它们以不可预知的速度向前推进。

但同时操作系统应保证程序的执行结果是可再现的，即只要运行环境相同，一个作业的多次运行会得到相同的结果。

2、什么是多道程序设计？在OS中引入该技术，带来了哪些好处？P10答：多道程序技术是指在内存中同时存放若干个作业，并使他们共享系统的资源且同时运行的技术。

好处：（1）提高CPU的利用率（2）可提高内存和I/O 设备的利用率（3）增加系统的吞吐量3、试从交互性、及时性以及可靠性三个方面，比较分时系统和实时系统P11答：1）交互性：交互性问题时分时系统的关键问题。

在分时系统中，用户可以通过终端与系统进行广泛的人机交互，如文件编辑、数据处理和资源共享。

实时系统也具有交互性，但在实时系统中交互性仅限于访问系统中某些特定的专用服务程序，也就是说它的交互性具有很大的局限性。

虚拟存储器实验报告一、实验目的本次虚拟存储器实验的目的在于深入理解虚拟存储器的工作原理，掌握其基本概念和关键技术，通过实际操作和观察，分析虚拟存储器对系统性能的影响，并能够运用所学知识解决在实验过程中遇到的问题。

二、实验环境本次实验使用的操作系统为 Windows 10，开发工具为 Visual Studio 2019，编程语言为 C+＋。

实验所使用的计算机配置为：Intel Core i7 处理器，16GB 内存，512GB 固态硬盘。

三、实验原理虚拟存储器是一种利用硬盘等辅助存储器来扩充主存容量的技术。

它将程序的逻辑地址空间与物理地址空间分开，使得程序可以使用比实际物理内存更大的地址空间。

当程序访问的地址不在物理内存中时，系统会通过页面置换算法将暂时不用的页面换出到硬盘，将需要的页面换入到物理内存中。

虚拟存储器的实现主要依赖于页式存储管理和地址转换机制。

页式存储管理将逻辑地址空间划分为固定大小的页面，物理地址空间也划分为相同大小的页框。

地址转换通过页表来完成，页表记录了逻辑页面与物理页框的对应关系。

四、实验内容1、页面置换算法的实现首先实现了先进先出（FIFO）页面置换算法。

创建一个固定大小的物理内存页框数组，模拟物理内存。

当需要装入新页面时，如果物理内存已满，按照先进入的页面先被置换的原则选择置换页面。

接着实现了最近最少使用（LRU）页面置换算法。

为每个页面设置一个访问时间戳，当需要置换页面时，选择访问时间最久远的页面进行置换。

2、虚拟地址到物理地址的转换设计了一个简单的页表结构，包括逻辑页号、物理页框号和有效位等字段。

输入一个虚拟地址，通过查找页表将其转换为物理地址。

如果页面不在物理内存中，触发页面置换算法进行页面调入。

3、性能分析对不同大小的程序和不同的页面置换算法，测量其页面缺失率和执行时间。

分析页面大小、物理内存大小等因素对虚拟存储器性能的影响。

五、实验步骤1、初始化实验环境设定物理内存大小、页面大小等参数。

408 2024 大纲408 2024 大纲是指2024考研408计算机考试大纲，具体内容如下：第一部分：数据结构考纲【考查目标】1.掌握数据结构的基本概念、基本原理和基本方法。

2.掌握数据的逻辑结构、存储结构及基本操作的实现，能够对算法进行基本的时间复杂度与空间复杂度的分析。

3.能够运用数据结构基本原理和方法进行问题的分析与求解，具备采用C 或C++语言计与实现算法的能力。

一、线性表（一）线性表的基本概念（二）线性表的实现1.顺序存储2.链式存储（三）线性表的应用二、栈、队列和数组（一）栈和队列的基本概念（二）栈和队列的顺序存储结构（三）栈和队列的链式存储结构（四）多维数组的存储（五）特殊矩阵的压缩存储（六）栈、队列和数组的应用三、树与二叉树（一）树的基本概念（二）二叉树1.二叉树的定义及其主要特征2.二叉树的顺序存储结构和链式存储结构3.二叉树的遍历4.线索二叉树的基本概念和构造（三）树、森林1.树的存储结构2.森林与二叉树的转换3.树和森林的遍历（四）树与二叉树的应用1.哈夫曼（Huffman）树和哈夫曼编码2.并查集及其应用四、图（一）图的基本概念（二）图的存储及基本操作1.邻接矩阵2.邻接表3.邻接多重表、十字链表（三）图的遍历1.深度优先搜索2.广度优先搜索（四）图的基本应用1.最小生成树2.最短路径3.拓扑排序4.关键路径五、查找（一）查找的基本概念（二）顺序查找法（三）分块查找法（四）折半查找法（五）树型查找1.二叉搜索树2.平衡二叉树3.红黑树：红黑树的概念和性质（六）B 树及其基本操作、B+树的基本概念（七）散列（Hash）表（八）字符串模式匹配（九）查找算法的分析及应用六、排序（一）排序的基本概念（二）直接插入排序（三）折半插入排序（四）起泡排序（bubble sort）（五）简单选择排序（六）希尔排序（shell sort）（七）快速排序（八）堆排序（九）归并排序（merge sort）（十）基数排序（十一）外部排序（十二）排序算法的分析和应用1、对于考纲内要求的排序算法，能够做对比分析2、对于给出一个新的排序算法，能够综合分析其排序思想第二部分：计算机组成原理考纲【考查目标】1.掌握单处理器计算机系统中主要部件的工作原理、组成结构以及相互连接方式。

第四讲存储器管理主讲教师：夏辉丽4.6 虚拟存储器的基本概念4.6.1 虚拟存储器的引入4.6.2 虚拟存储器的实现方法4.6.3 虚拟存储器的特征4.6.1 虚拟存储器的引入1. 常规存储器管理方式的特征：•一次性、驻留性•情况一：内存空间装不下的大作业无法运行•情况二：作业量大时，无法允许更多的作业并发•扩充内存容量的方法：物理上、逻辑上4.6.1 虚拟存储器的引入2. 局部性原理：•程序在执行时常呈现局部性规律，并表现在两个方面：（1）时间局限性（2）空间局限性4.6.1 虚拟存储器的引入3. 虚拟存储器的概念：•逻辑上扩充内存容量的方案：（1）允许作业部分装入，其他页（段）在运行中需要访问时再调入----增加请求调入功能（2）若内存已满，将某些暂时不用的页（段）调出内存---增加置换功能4.6.1 虚拟存储器的引入3. 虚拟存储器的概念：•定义：虚拟存储器是指具有请求调入功能和置换功能，能从逻辑上对内存容量加以扩充的一种存储器系统。

•实质：物理上不存在，利用海量外存进行内存“空间”的扩展。

•逻辑容量：取决于内存容量和外存容量之和。

4.6.2 虚拟存储器的实现方法必须基于“离散分配的内存管理技术”1.请求分页系统（页式虚拟存储系统）•＝基本分页系统+请求调页功能+页面置换功能•硬件支持：请求分页的页表机制、缺页中断机构、地址变换机构。

•软件支持：请求分页、页面置换4.6.2 虚拟存储器的实现方法2.请求分段系统（段式虚拟存储系统）•＝基本分段系统+请求调段功能+分段置换功能•硬件支持：请求分段的段表机制、缺段中断机构、地址变换机构。

•软件支持：请求分段、段的置换4.6.3 虚拟存储器的特征1.离散性：在内存分配时采用离散分配方式；2. 多次性：一个作业被分成多次调入内存运行；3. 对换性：允许在作业的运行过程中进行换进、换出；4. 虚拟性：能从逻辑上扩充内存容量，使用户“看到”的内存容量远大于实际大小。

虚拟存储器☐虚拟存储器是建立在主存—辅存物理结构的基础之上，由附加的硬件装置存储管理软件虚拟存储器物理存储器不同之处常为几百~几百K字节；不同之处4、主存—cache体系中，CPU与二者都有直接的通路；而虚存中辅存一些硬件进行块的划分及主-辅间调度，所以对设计系统软件的程☐虚地址和实地址☐页式虚拟存储器☐页表（Page Table）0虚页 1虚页 2虚页 3虚页 装入 位 修 改 位 替换控制 其 他 实页号 1 3 19 6 0页 1页 2页 3页 程 序A虚存空间 1页 3页 6页 19页实存空间 页表区中程序A 的页表页表的长度等于该程序虚页数，每一虚页的状况占据页表中一个存储字，叫页表信息字。

1111 装入位为1时，表示该虚页内容已从辅存调入主存，页面有效。

“修改记录位”记录虚页内容在主存中是否被修改过，如果被修改过，则这页在主存被新页覆盖时要把修改的内容写回到虚存去。

“替换控制位：与替换策略有关，如采用LRU ，替换控制位就可以用作计数位，记录这页在主存时被CPU 调用的历史，反映这页在主存的活跃程度。

页表首地址 页表基地址寄存器时间t 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 实际命中次数页地址流P1 P2 P1 P5 P4 P1 P3 P4 P2 P4先进先出FIFO算法1 1 1 1* 4 4 4* 4*2 22次2 2 2 2* 1 1 1 1* 45 5 5* 3 3 3 3*调入调入命中调入替换替换替换命中替换替换最久没使用LRU 算法1 1 1 1 1* 1 1 1*2 24次2 2 2* 4 4 4* 4 4 45 5 5* 3 3 3* 3*调入调入命中调入替换命中替换命中替换命中最优替换OPT算法1 1 1 1 1 1* 3* 3* 3 35次2 2 2 2* 2 2 2 2 25* 4 4 4 4 4 4调入调入命中调入替换命中替换命中命中命中Hp = 4/10 = 0.4时间t 1 2 3 4 5 6 7 8 实际命中次数页地址流P1 P2 P3 P4 P1 P2 P3 P4先进先出FIFO算法1 1 1* 4 4 4* 3 30次2 2 2* 1 1 1* 43 3 3* 2 2 2*调入调入调入替换替换替换替换替换最久没使用LRU算法1 1 1* 4 4 4* 3 30次2 2 2* 1 1 1* 43 3 3* 2 2 2*调入调入调入替换替换替换替换替换最优替换OPT算法1 1 1 1 1* 1 1 13次2 2 2 2 2* 3* 33* 4* 4 4 4 4*调入调入调入替换命中命中替换命中。

虚拟存储器什么是虚拟存储器？它存储介质是什么？1、虚拟内存的作用内存在计算机中的作用很大，电脑中所有运行的程序都需要经过内存来执行，如果执行的程序很大或很多，就会导致内存消耗殆尽。

为了解决这个问题，Windows中运用了虚拟内存技术，即拿出一部分硬盘空间来充当内存使用，当内存占用完时，电脑就会自动调用硬盘来充当内存，以缓解内存的紧张。

举一个例子来说，如果电脑只有128MB物理内存的话，当读取一个容量为200MB的文件时，就必须要用到比较大的虚拟内存，文件被内存读取之后就会先储存到虚拟内存，等待内存把文件全部储存到虚拟内存之后，跟着就会把虚拟内里储存的文件释放到原来的安装目录里了。

下面，就让我们一起来看看如何对虚拟内存进行设置吧。

2、虚拟内存的设置对于虚拟内存主要设置两点，即内存大小和分页位置，内存大小就是设置虚拟内存最小为多少和最大为多少；而分页位置则是设置虚拟内存应使用那个分区中的硬盘空间。

对于内存大小的设置，如何得到最小值和最大值呢？你可以通过下面的方法获得：选择“开始→程序→附件→系统工具→系统监视器”（如果系统工具中没有，可以通过“添加/删除程序”中的Windows安装程序进行安装）打开系统监视器，然后选择“编辑→添加项目”，在“类型”项中选择“内存管理程序”，在右侧的列表选择“交换文件大小”。

这样随着你的操作，会显示出交换文件值的波动情况，你可以把经常要使用到的程序打开，然后对它们进行使用，这时查看一下系统监视器中的表现值，由于用户每次使用电脑时的情况都不尽相同，因此，最好能够通过较长时间对交换文件进行监视来找出最符合您的交换文件的数值，这样才能保证系统性能稳定以及保持在最佳的状态。

找出最合适的范围值后，在设置虚拟内存时，用鼠标右键点击“我的电脑”，选择“属性”，弹出系统属性窗口，选择“性能”标签，点击下面“虚拟内存”按钮，弹出虚拟内存设置窗口，点击“用户自己指定虚拟内存设置”单选按钮，“硬盘”选较大剩余空间的分区，然后在“最小值”和“最大值”文本框中输入合适的范围值。