简述虚拟存储技术的工作原理

❶ 内存扩充之虚拟存储技术

传统存储管理

特征

时间局部性：如果执行了程序中的某条指令，那么不久后这条指令很有可能再次执行；如果某个数据被访问过，不久之后该数据很可能再次被访问（因为程序中存在大量循环）
空间局部性：一旦程序访问了某个存储单元，在不久之后，其附近的存储单元很有可能被访问（因为很多数据在内存中是连续存放的，并且程序的指令也是顺序地在内存中存放的

寄存器
高速缓存
内存
外存（如磁盘、磁带等）

越往上容量越小，访问速度越快，成本越高
越往下容量越大，访问速度越慢，成本越低

高速缓存技术的思想：将近期会频繁访问到的数据放到更高速的存储器中，暂时用不到的数据放在更低速存储器中
快表机构就是将近期常访问的页表项副本放到更高速的cache中

基于局部性原理，在程序装入时，可以将程序中很快就会用到的部分装入内存，暂时用不到的部分留在外存，就可以让程序开始执行
在程序执行过程中，当所访问的信息不在内存时，由操作系统负责将所需信息从外存调入内存，然后继续执行程序
若内存空间不够，由操作系统将内存中暂时用不到的信息换出到外存

因此，在操作系统的管理下，在用户看来似乎有一个比实际内存大得多的内存，这就是虚拟内存
操作系统虚拟性的一个体现，实际的物理内存大小没有变，只是在逻辑上进行了扩充

虚拟内存的最大容量是由计算机的地址结构（CPU寻址范围）确定的
虚拟内存的实际容量 = min(内存外存容量之和，CPU寻址范围)

虚拟内存有以下三个主要特征

虚拟内存技术，允许一个作业多次调入内存。如果采用连续分配方式，会不方便实现。因此，虚拟内存的实现需要建立在离散分配的内存管理方式基础上

传统的非连续分配存储管理
基本分页存储管理
基本分段存储管理
基本段页式存储管理

虚拟内存的实现
请求分页存储管理
请求分段存储管理
请求段页式存储管理

主要区别：在程序执行过程中，当所访问的信息不在内存时，由操作系统负责将所需信息从外存调入内存，然后继续执行程序。若内存空间不够，由操作系统负责将内存中暂时用不到的信息换出到外存
操作系统要提供请求调页/段功能、页面/段置换功能

请求分页存储管理和基本分页存储管理的主要区别

页表机制
页表项：内存块号、状态位、访问字段、修改位、外存地址，页号时隐含的
内存块号是页面在内存中对应的页框号，如果状态位为0，则内存块号为无
状态位表示是否已被调入内存
访问字段记录最近被访问过几次，或者上次访问时间，由此操作系统能够提供置换算法
修改位记录页面被调入内存后是否被修改过，如果没有，就不需要浪费时间写回外存
外存地址是页面在外存中的存放位置

缺页中断机构
在请求分页系统中，每当要访问的页面不在内存时，便会产生一个缺页中断，然后由操作系统的缺页中断处理程序处理中断（内中断）
此时缺页的进程阻塞，放入阻塞队列，调页完成后再将其唤醒，放回就绪队列
如果内存中有空闲块，则为进程分配一个空闲块，将所缺页面装入该块，并修改页表中相应的页表项
如果内存中没有空闲块，则由页面置换算法选择一个页面淘汰，若该页面在内存期间被修改过，则要将其写回外存，为修改过的页面不用写回外存
一条指令再执行期间可能产生多次缺页中断（ A to B）

新增的步骤

页面的换入、换出需要磁盘IO，会有较大的开销，因此好的页面置换算法应该追求更少的缺页率

缺页中断≠页面置换
发生缺页中断会发生调页，只有内存块满了才发生页面置换

最佳置换算法OPT：每次淘汰以后永不使用或最长时间内不再被访问的页面
理想化的算法，很难实现

先进先出算法FIFO：每次淘汰最先进入内存的页面
实现：把调入内存的页面根据调入的先后顺序排成队列，页面置换时换出队头页面，新调入的页面排到队尾
优点：实现简单
缺点1：belady异常，为进程分配的物理块数增大时，缺页次数不减反增的异常现象。只有FIFO会产生belady异常。
缺点2：算法与进程实际运行时的规律不适应，因为先调入的页面有可能最经常被访问，因此算法性能差

最近最久未使用置换算法LRU：淘汰最近最久未使用的页面
实现方法：赋予每个页面对应的页表项中，用访问字段记录该页面自上次被访问以来所经历的时间t
优点：性能最接近OPT
缺点：实现困难、开销大

时钟置换算法CLOCK/NRU

简单NRU：为每一个页表项设置一个访问位，再将内存中的页面都通过连接指针连成一个循环队列，当某页被访问时，访问位为1，只需检查页的访问位。如果为0，就将该页换出，否则将其改为0，暂不换出，继续向后扫描，若第一轮扫描都是1，将这也页面的访问位改为0后，进行第二轮扫描，第二轮扫描中一定会有访问位为0的页面，将其换出。因此最多经过两轮扫描

改进NRU：如果淘汰的页面没有被修改过，就不需要执行IO操作，只有淘汰的页面被修改过时，才需要写回外存。因此，同时考虑最近有无访问和有无修改，在其他条件相同时，优先淘汰没有修改过的页面，避免IO操作
第一轮：找到第一个访问位和修改位都为0的页面进行替换，如果没有找到进行下一轮扫描
第二轮：查找第一个访问位为0，修改位为1的页面进行替换，本轮将所有被扫描过的访问位设置为0，如果没有进行下一轮扫描
第三轮：查找0，0替换否则下一轮
第四轮：查找0，1替换
最多会进行四轮扫描

驻留集：请求分页管理中给进程分配的物理块的集合
在采用了虚拟存储技术的系统中，驻留集大小一般小于进程的总大小
驻留集太小，导致缺页频繁，系统要花大量时间处理缺页，实际用于进程推进的时间很少
驻留集太大，会导致多道程序并发度下降，资源利用率降低

固定分配：操作系统为每个进程分配一组固定数目的物理块，在进程运行期间不再改变
可变分配：先为每个进程分配一定数目的物理块，在进程运行期间，可根据情况作适当的增加或减少

局部置换：发生缺页时只能选进程自己的物理地址块进行置换
全局置换：可以将操作系统保留的空闲物理块分配给缺页进程，也可以将别的进程持有的物理块置换到外存，再分配给缺页进程

不存在固定分配全局置换的策略，因为全局置换意味着一个进程拥有的物理块数量必然改变
其他三种组合存在

固定分配局部置换：系统为每个进程分配一定数量的物理块，在整个运行期间都不改变。若进程在运行中发生缺页，并且需要进行页面置换，则只能从该进程在内存中的页面中选出一页换出，然后再调入需要的页面
缺点：很难在刚开始就确定应为每个进程分配多少个物理地址块才算合理（采用这种策略的系统可以根据进程大小、优先级、或是根据程序员给出的参数来确定为一个进程分配的内存块数

可变分配全局置换：刚开始会为进程分配一定数量的物理块。操作系统会保持一个空闲物理块队列，当某进程发生缺页时，从空闲物理块中取出一块分给该进程；若无空闲物理块，则选择一个未锁定的页面换出到外存，再将该物理块分配给缺页的进程。采用这种策略时，只要某进程发生缺页，都将获得新的物理块，仅当空闲物理块用完时，系统才选择一个未锁定的页面调出。被选择调出的页面可能是系统中任何一个进程的页面，因此这个被选中的进程拥有的物理块会减少，缺页率会增加
只要缺页就给该进程分配新的物理块

可变分配局部置换：刚开始会为每个进程分配一定数量的物理块，当某进程发生缺页时，只允许从该进程自己的物理块中选出一个进行页面置换。如果进程在运行过程中频繁缺页，系统会为该进程多分配几个物理块，直至该进程缺页率趋于适当程度；反之，如果缺页率太低，就是当减少分配给该进程的内存块数
要根据发生缺页的频率来动态增加或减少进程的物理块

何时调入页面

从何处调入页面
对换区：读写速度更快，采用连续分配方式
文件区：读写速度更慢，采用离散分配方式

抖动/颠簸现象：刚刚换出的页面马上要换入内存，刚刚换入的页面马上要换出外存，这种频繁的页面调度行为称为抖动/颠簸
主要原因是进程频繁访问的页面数目高于可用的物理块数（分配给进程的物理块不够）

为进程分配物理块太少会使进程发生抖动现象，为进程分配的物理块太多会降低系统的并发度降低某些资源的利用率。因此提出了“工作集”的概念
工作集：在某段时间间隔里，进程实际访问页面的集合
驻留集：请求分页存储管理中给进程分配的内存块的集合
驻留集不能小于工作集，否则进程运行过程中将频繁缺页

❷ 虚拟存储器的基本原理是什么其容量主要受到什么限制

虚拟存储器的基本特征是:
①虚拟扩充,即不是物理上而是逻辑上扩充了内存容量;
②部分装入,即每个作业不是全部一次性地装入内存,而是只装入一部分;
③离散分配,即不必占用连续的内存空间,而是"见缝插针";
④多次对换,即所需的全部程序和数据要分成多次调入内存.
虚拟存储器的容量主要受到指令中表示地址的字长和外存的容量的限制.

❸ 虚拟存储器技术主要用于解决什么问题简述虚拟存储器的基本工作原理。

虚拟存储器技术主要解决电笑磨脑内存不够的问题，电脑中所运行的程序均需经由内存执行，若执行的姿扰程序占用内存很大或很多，则会导致内存消耗殆尽。

为解决该问题，Windows中运用了虚拟内存技术，即匀出一部分硬盘空间来充当内存使用。当内存耗尽时，电脑就会自迹升旦动调用硬盘来充当内存，以缓解内存的紧张。若计算机运行程序或操作所需的随机存储器(RAM)不足时，则 Windows 会用虚拟存储器进行补偿。

工作原理

1、中央处理器访问主存的逻辑地址分解成组号a和组内地址b，并对组号a进行地址变换，即将逻辑组号a作为索引，查地址变换表，以确定该组信息是否存放在主存内。

2、如该组号已在主存内，则转而执行④；如果该组号不在主存内，则检查主存中是否有空闲区，如果没有，便将某个暂时不用的组调出送往辅存，以便将这组信息调入主存。

3、从辅存读出所要的组，并送到主存空闲区，然后将那个空闲的物理组号a和逻辑组号a登录在地址变换表中。

4、从地址变换表读出与逻辑组号a对应的物理组号a。

5、从物理组号a和组内字节地址b得到物理地址。

6、根据物理地址从主存中存取必要的信息。

(3)简述虚拟存储技术的工作原理扩展阅读：

相关概念

1、实地址与虚地址

用户编制程序时使用的地址称为虚地址或逻辑地址，其对应的存储空间称为虚存空间或逻辑地址空间；而计算机物理内存的访问地址则称为实地址或物理地址，其对应的存储空间称为物理存储空间或主存空间。程序进行虚地址到实地址转换的过程称为程序的再定位。

2、虚拟内存的访问过程

虚存空间的用户程序按照虚地址编程并存放在辅存中。程序运行时，由地址变换机构依据当时分配给该程序的实地址空间把程序的一部分调入实存。

每次访存时，首先判断该虚地址所对应的部分是否在实存中：如果是，则进行地址转换并用实地址访问主存；否则，按照某种算法将辅存中的部分程序调度进内存，再按同样的方法访问主存。

3、异构体系

从虚存的概念可以看出，主存-辅存的访问机制与cache-主存的访问机制是类似的。这是由cache存储器、主存和辅存构成的三级存储体系中的两个层次。cache和主存之间以及主存和辅存之间分别有辅助硬件和辅助软硬件负责地址变换与管理，以便各级存储器能够组成有机的三级存储体系。

❹ 虚拟内存技术的工作原理

虚拟内存技术的工作原理是什么?虚拟内存有什么技术?下面由我来和大家一起了解吧！

虚拟内存技术介绍
虚拟内存别称虚拟存储器(Virtual Memory)。电脑中所运行的

程序均需经由内存执行，若执行的程序占用内存很大或很多，则会导致内存消耗殆尽。为解决该问题，Windows中运用了虚拟内存[2] 技术，即匀出一部分硬盘空间来充当内存使用。当内存耗尽时，电脑就会自动调用硬盘来充当内存，以缓解内存的紧张。若计算机运行程序或操作所需的随机存储器(RAM)不足时，则 Windows 会用虚拟存储器进行补偿。它将计算机的RAM和硬盘上的临时空间组合。当RAM运行速率缓慢时，它便将数据从RAM移动到称为“分页文件”的空间中。将数据移入分页文件可释放RAM，以便完成工作。 一般而言，计算机的RAM容量越大，程序运行得越快。若计算机的速率由于RAM可用空间匮乏而减缓，则可尝试通过增加虚拟内存来进行补偿。但是，计算机从RAM读取数据的速率要比从硬盘读取数据的速率快，因而扩增RAM容量(可加内存条)是最佳选择。虚拟内存是Windows 为作为内存使用的一部分硬盘空间。虚拟内存在硬盘上其实就是为一个硕大无比的文件，文件名是PageFile.Sys，通常状态下是看不到的。必须关闭资源管理器对系统文件的保护功能才能看到这个文件。虚拟内存有时候也被称为是“页面文件”就是从这个文件的文件名中来的。[2] 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，这部分空间即称为虚拟内存，虚拟内存在硬盘上的存在形式就是 PAGEFILE.SYS这个页面文件。
工作原理
虚拟存储器是由硬件和 操作系统 自动实现存储信息调度和管理的。它的工作过程包括6个步骤：

①中央处理器访问主存的逻辑地址分解成组号a和组内地址b，并对组号a进行地址变换，即将逻辑组号a作为索引，查地址变换表，以确定该组信息是否存放在主存内。

②如该组号已在主存内，则转而执行④;如果该组号不在主存内，则检查主存中是否有空闲区，如果没有，便将某个暂时不用的组调出送往辅存，以便将这组信息调入主存。

③从辅存读出所要的组，并送到主存空闲区，然后将那个空闲的物理组号a和逻辑组号a登录在地址变换表中。

④从地址变换表读出与逻辑组号a对应的物理组号a。

⑤从物理组号a和组内字节地址b得到物理地址。

⑥根据物理地址从主存中存取必要的信息。

❺ 求页式虚拟存储技术的原理。

虚拟存储器是根据程序的逻辑地址转换来的，也称线性地址空间。一般每个进程，甚至每个段都有一个，以32位为例，则每个最大可达4G。 而主存目前一般为百M。因此程序中所指的存储单元并不能都放到主存中，也就是并不是每个程序所用的存储单元，都有具体的物理的存储器单元与之对应。 但由于程序的两个局部性原理，在一个时刻，程序只在一个比较小的范围内运行。所以我们把程序可能用到的整个存储空间分成一个个相同大小的页(按页管理硬件上容易实现)，只把其中的一些页放在主存中，而其它的页则等需要时再建，或放在辅存(磁盘)中。同时建立一个页表，对应于每一页，如果该页在主存中，则页表记录它在主存中的地址；如果不在主存中，则在页表上作不在主存的标记。 这样，当程序需要调用某个存储单元的内容时，先根据它的线性地址，算出其所在的页。查页表，看是不是在主存中？如果在，则直接存取。如果查到页表上是不在的标记，那就是一个page fault。要把主存中的某一页(LRU策略)换到磁盘上，把要访问的那个单元所在的页调入主存，再进行存取。 就象一个预计有一万学生的学校，理论上每个学生都应有一个位子上课(一万个虚拟位子)，而学校只有一千个(物理)位子。但实际上，学校也不会一万个人同时上课，只要让上课的同学有位子(在主存中)，而其它同学只要留下联系方法能找到就好。为了降低管理的复杂性，我们采用按学号分班(页)管理。每个班要么一起上课(主存)，要么一起呆在寝室(磁盘)。而在学校保留一个动态表(页表)表明每个班在哪儿(物理地址)上课，或者没上课(不在主存)。现在假设我们想按学号找一个同学，而且是女同学，只能在教室说话，呵呵。那么： 先算出来是哪个班的，查动态表，看该班是否在教室。在，直接按位置找到(hit)；不在(page fault)，要先找个不上课的班赶回寝室，把要找女生所在的班调到教室，再按位置找那个同学。 动态表(页表)的大小＝表项数＊每个表项所需的位数。 表项数＝虚拟班数＝虚拟人数(虚拟地址空间)/每班人数(每页大小) 每个表项的位数＝Log(教室数)+适当控制位数

麻烦采纳，谢谢!

❻ 计算机中存储器Cache的基本原理是什么虚拟内存的工作原理又是什么

其实网络里也有~
Cache其有三部分：
Cache存储体：存放由主存调入的指令与数据块。
地址转换部件：建立目录表以实现主存地址到缓存地址的转换。
替换部件：在缓存已满时按一定策略进行数据块替换，并修改地址转换部件。

虚拟内存：
别称虚拟存储器（Virtual Memory）。电脑中所运行的程序均需经由内存执行，若执行的程序很大或很多，则会导致内存消耗殆尽。为解决该问题，Windows中运用了虚拟内存技术，即匀出一部分硬盘空间来充当内存使用。当内存耗尽时，电脑就会自动调用硬盘来充当内存，以缓解内存的紧张。若计算机缺乏运行程序或操作所需的随机存储器 (RAM)，则 Windows 会用之进行补偿。它将计算机的RAM和硬盘上的临时空间组合。当RAM运行速率缓慢时，它便将数据从RAM移动到称为“分页文件”的空间中。将数据移入与移出分页文件可释放RAM，以便完成工作。 一般而言，计算机的RAM越多，程序运行得越快。若计算机的速率由于RAM可用空间匮乏而减缓，则可尝试借增加虚拟内存来进行补偿。但是，计算机从RAM读取数据的速率要比从硬盘读取数据的速率快，因而扩增RAM容量（可加内存条）是最佳选择。

参考：http://ke..com/view/44274.htm
http://ke..com/view/976.htm