操作系统中的虚拟内存：定义、请求分页、优点

什么是虚拟内存？

虚拟内存是一种存储机制，它为用户提供了一个拥有非常大的主内存的假象。这是通过将一部分辅助内存视为主内存来实现的。在虚拟内存中，用户可以存储比可用主内存更大的进程。

因此，操作系统不会将一个长进程加载到主内存中，而是将多个进程的各个部分加载到主内存中。虚拟内存主要通过请求分页和请求分段来实现。

为何需要虚拟内存？

以下是使用虚拟内存的原因

当您的计算机物理内存空间不足时，它会将需要记住的内容写入硬盘上的交换文件，作为虚拟内存。
如果一台运行 Windows 的计算机需要的内存/RAM 比系统中安装的要多，它就会为此目的使用硬盘的一小部分。

虚拟内存如何工作？

在现代世界中，虚拟内存已经非常普遍。当需要将某些页面加载到主内存中执行，但没有足够的内存用于这些页面时，就会使用它。

因此，在这种情况下，操作系统不会阻止页面进入主内存，而是会搜索最近最少使用的 RAM 空间，或者在辅助内存中未被引用的页面，以便为主内存中的新页面腾出空间。

让我们通过一个例子来理解虚拟内存管理。

例如

假设一个操作系统需要 300 MB 的内存来存储所有正在运行的程序。然而，RAM 上目前只有 50 MB 的可用物理内存。

操作系统将设置 250 MB 的虚拟内存，并使用一个名为虚拟内存管理器 (VMM) 的程序来管理这 250 MB。
因此，在这种情况下，VMM 将在硬盘上创建一个 250 MB 的文件，用于存储所需的额外内存。
操作系统现在将继续寻址内存，将其视为 RAM 中存储的 300 MB 实际内存，即使只有 50 MB 的空间可用。
即使只有 50 MB 的实际内存空间可用，VMM 的工作也是管理 300 MB 的内存。

什么是请求分页？

请求分页机制与具有交换功能的分页系统非常相似，其中进程存储在辅助内存中，页面仅在需要时加载，而不是提前加载。

因此，当发生上下文切换时，操作系统不会将旧程序或新程序的任何页面从磁盘复制到主内存中。相反，它将在加载第一页并获取程序引用的页面后开始执行新程序。

在程序执行过程中，如果程序引用了可能不在主内存中（因为它被交换出去了）的页面，那么处理器会将其视为无效内存引用。这是因为页面错误和传输会将控制权从程序转回操作系统，操作系统会要求将页面写回内存。

页面替换方法的类型

以下是一些重要的页面替换方法

FIFO
最优算法
LRU 页面替换

FIFO 页面替换

FIFO（先进先出）是一种简单的实现方法。在此方法中，内存选择已在虚拟内存地址中停留时间最长的页面进行替换。

功能

当加载新页面时，最近进入内存的页面将被移除。因此，很容易确定需要删除哪个页面，因为它的标识号始终位于 FIFO 堆栈的顶部。
主内存中最旧的页面应该是首先选择进行替换的页面。

最优算法

最优页面替换方法选择到下一次引用时间最长的页面进行替换。

功能

最优算法产生的页面错误次数最少。此算法难以实现。
最优页面替换算法方法具有所有算法中最低的页面错误率。该算法存在，应称为 MIN 或 OPT。
替换将在较长一段时间内不会被使用的页面。它只使用页面需要使用的时间。

LRU 页面替换

LRU 的全称是 Least Recently Used（最近最少使用）页面。此方法可帮助操作系统在短时间内查找页面使用情况。该算法应通过为每个页面关联一个计数器来实现。

它是如何运作的？

在主内存中长时间未使用的页面将被选定进行替换。
易于实现，维护一个列表，通过回顾时间来替换页面。

功能

LRU 替换方法具有最高的计数。此计数器也称为老化寄存器，它们指定了它们的年龄以及关联页面的引用频率。
在主内存中长时间未使用的页面应该是选择替换的页面。
它还维护一个列表，并通过回顾时间来替换页面。

故障率

故障率是设计系统或组件发生故障的频率。它以每单位时间内的故障次数表示。它用希腊字母 ?（lambda）表示。

虚拟内存的优点

以下是使用虚拟内存的优点/好处

虚拟内存有助于在程序执行只需要特定程序段时提高速度。
它在实现多道程序设计环境方面非常有帮助。
它允许您同时运行更多应用程序。
它有助于将许多大型程序装入较小的程序中。
公共数据或代码可以在内存之间共享。
进程可以比所有物理内存都大。
需要时应从磁盘读取数据/代码。
代码可以放置在物理内存的任何位置，而无需重新定位。
可以将在主内存中维护更多进程，从而提高 CPU 的有效利用率。
每个页面都存储在磁盘上，直到需要为止，然后会被删除。
它允许同时运行更多应用程序。
多道程序设计的程度没有具体限制。
可以编写大型程序，因为与物理内存相比，可用的虚拟地址空间更大。

虚拟内存的缺点

以下是使用虚拟内存的缺点/弊端

如果系统正在使用虚拟内存，应用程序的运行速度可能会变慢。
在应用程序之间切换可能需要更多时间。
为您提供更少的硬盘空间。
它降低了系统稳定性。
它允许在没有足够物理 RAM 的系统上运行更大的应用程序。
它的性能不如 RAM。
它会对系统的整体性能产生负面影响。
占用存储空间，而这些空间可以用于长期数据存储。

摘要

虚拟内存是一种存储机制，它为用户提供了一个拥有非常大的主内存的假象。
当您的计算机物理内存空间不足时，就需要虚拟内存。
请求分页机制与具有交换功能的寻址系统非常相似，其中进程存储在辅助内存中，页面仅在需要时加载，而不是提前加载。
重要的页面替换方法是：1）FIFO 2）最优算法 3）LRU 页面替换。
在 FIFO（先进先出）方法中，内存选择已在虚拟内存地址中停留时间最长的页面进行替换。
最优页面替换方法选择到下一次引用时间最长的页面进行替换。
LRU 方法可帮助操作系统在短时间内查找页面使用情况。
虚拟内存有助于在程序执行只需要特定程序段时提高速度。
如果系统正在使用虚拟内存，应用程序的运行速度可能会变慢。