各位同学大家好
今天我们来开始讲第八讲虚拟存储
那么跟虚拟存储相关内容呢我们会分成两讲
一讲呢是虚拟存储的概念
另一讲呢是虚拟存储当中的置换算法
今天呢我们先来讲虚拟存储的概念
在前面呢我们讲过了物理内存的管理
在那个地方呢我们有分区 非连续分区
这两种办法呢是讲我们在物理内存当中
如何去找到一块可以给进程使用的内存空间
那么在今天呢我们来开始讲虚拟存储
虚拟存储和前面讲的非连续内存分配呢
是它的一个延续 非连续内存分配
是说我在内存里找存储空间
让它可以不连续 而虚拟存储呢
是在这个非连续存储内存分配的基础上
可以把一部分内容放到外存里的做法
那这种做法呢可以让我们的应用程序
有更大的空间可以来使用
那具体说起来怎么做呢
那在这里头我们就会讲到
我们为啥会要把数据放到外存里头去
因为在外存里访问呢它是会比内存慢的
这样会带来一系列的问题
那说我们在这里呢这样做之后
可以让你内存的空间更大
那如何来做呢我们这里会有到覆盖 交换
这两个做法呢在前面的介绍我们已经提到过
那更主要的一部分呢
是我们这里说到的虚拟存储
虚拟存储呢又涉及这样几个方面
第一个说我可以把数据放到外存里头
那如果说你的访问是完全随机的
那这时候你放到外存里头之后
你的访问它的性能肯定是要下降的
好 那实际上呢我们在这里呢
程序的执行它有一定的特征
这就是我们这里的局部性原理
有了局部性原理之后呢
相当于我们程序在访问的时候
它要么是指令的顺序执行 要么它是跳转
跳转多数时候呢又是一个循环
跳回到你原来访问过的某一个位置
基于这样一些存储访问的特征呢
我们可以说使用虚拟存储呢
它的性能不至于比原来下降很多
但是我可以得到更大的存储空间
好 然后再说我们如何来做这件事情
这就是我们说到的虚拟存储的概念
然后说我们在页式存储之上
加上把一部分的页放到外存
这就是虚拟页式存储
再有一个就是说我们在这里
由于你把这个数据放到外存里
那么你在指令执行的时候有可能你访问的
某一个数据就在外存里
好 那这个时候就有我们的缺页异常
那缺页异常实际上我们前面讲中断的时候呢
也已经涉及到过一些
它是指令执行过程当中出现的问题
好 那对于缺页来讲它的处理是什么样的
这个是我们这次课里头呢要来介绍的内容
那首先呢我们来看虚拟存储
为什么我们要做这件事情
那做任何一件事情它都是需要有需求推动的
那我们说在这里呢
现在对存储的容量的需求呢是越来越大的
那我们看到这是以电脑游戏为例
在早的时候的电脑游戏呢
通常情况下我存在一张软盘是几十K
几百K的这样一个尺度
那这时候呢我们常见的警察抓小偷之类的
然后到接下来呢我们希望这个游戏更好
这种图象质量更高 好 那这种交互性更强
那这时候我们游戏占的空间就变成几兆
好 在这种情况下
那就跟原来比就是10倍的增加了
好 再往后我们要想更大场面的
你比如说这是足球的互动游戏
那在这里头呢这些人物 它的这个角色增加
并且可以有很强的交互性
每一个动作又有3D的动画之类
这搁在一起之后
我们这个游戏变成几十兆 上百兆了
好 这种情况下 这只是一个例子
说明我们应用程序随着时间推进
它对存储的需要量是
远大于存储容量的发展速度的
那在这里头呢我们说有了这种需求之后
我们对于存储来讲
我们就要从技术上来解决问题
那具体技术解决的办法呢
我们有这样几条要求 第一条是容量
那容量我们希望它越来越大
第二个呢是我们希望速度它越来越快
然后第三个呢 我们希望价格是越来越便宜的
但是这几个目标呢实际上是相互制约的
和计算机内部的其它部分呢相比较而言呢
它是占的成本是不能太高的
基本上在这个发展过程当中这一部分
占的在计算机系统里头成本
是大致相对稳定的一个比例
好 那这是理想的情况
这个理想的情况那我们是做不到的
好 那这时候呢我们就会
在现实当中来做这种折中
好 现实当中折中是什么呢
我们就会把存储放成这样一个层次结构
那最快的是我们CPU里面的寄存器
然后最慢的是我们外部设备里的磁盘和磁带
好 中间 居于中间状态呢就是我们的内存
那这几个呢它们的速度最快的是纳秒级别的
最慢的是秒级别的 中间差100万倍 百万数量级
然后它们的容量呢是几K 几兆 几十兆
到最后呢 现在应该是我们到几个T这种尺度
为什么这个比例我不可以都放这上头来呢
原因在于 增加这些快速的部分的容量
那它的价格就上去了
好 那这时候说我们要想增加它的容量
那我就是底下这几个 成本比较低的
那这时候呢成本比较低的这几个呢
速度又降下来了
所以实际上这时候它组成一个层次结构
让整个系统处于一种均衡的繁忙状态
是我们想达到的最终的合理状态
好 有了这些需求之后
和内部存储介质的多种多样之后
那我们在操作系统里对存储空间的管理呢
就变得比较复杂了
那我们希望管理出来操作系统抽象出来的
进程地址空间呢是一个规范的
布局合理的一个地址空间
而在我们实际系统里头呢
那它的存储介质是多种多样的
那如果说直接让用户来应对
这些存储介质的使用的话
那么这时候你写出来程序
它的通用性就会很受限制
然后它编程的难度也会很高
所以在中间呢我们用操作系统来做这种抽象
这种映射关系由操作系统自动来做
用户见到的空间就是上面的抽象的地址空间
如果是这样一种结局的话
那我们现在这个应用程序开发的环境就非常好了
好 为了做到这一条
那这就是我们在计算机操作系统当中的
存储管理所需要 想达到的目标
好 这种需求呢
我们出现的原因是由于内存不够用
而内存不够用呢也是随着
我们在操作系统里头它多道程序
多进程 多线程 这样一些
并发性提高的情况下所导致的问题
那解决办法呢我们有这样几种
一种呢是覆盖 用户自己来导你的程序
比如说我的代码都放到内存里不够了
那我就会说我把它代码分成若干模块
我们明确它们之间调用关系
好 相互之间不存在调用关系的
那好 那这些呢我就可以
把它附庸到一块区域里头来
但你附庸之后就得要你用户自己
来确定我在什么时候把一个模块加进去
什么时候把另一个模块加进去
这个你的应用开发难度会提高的
第二种是兑换 说我们在这里
用操作系统来干这件事情
但是这时候呢因为我兑换的单位
是一个进程的整个地址空间
那这个时候它的开销是比较大的
但是尽管说开销比较大
在早的时候我不能做到
非连续物理内存分配的时候
这种办法仍然是有效的
好 那这个是一个
而我们今天要说的呢是虚拟存储
那我们和前面的交换这种
自动比较起来又往哪走了一步呢
它仍然是自动的
但是它的空间和容量是会更大 也会更自动
那这是我们想要达到的目标
那有了这个目标之后下面我们就
具体来讨论我们是如何来实现这个目标的