[科普中国]-虚拟内存

虚拟内存是计算机系统内存管理的一种技术。它使得应用程序认为它拥有连续的可用的内存（一个连续完整的地址空间），而实际上，它通常是被分隔成多个物理内存碎片，还有部分暂时存储在外部磁盘存储器上，在需要时进行数据交换。目前，大多数操作系统都使用了虚拟内存，如Windows家族的“虚拟内存”；Linux的“交换空间”等。1

简介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。2

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。2

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：3

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。3

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

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。3

④从地址变换表读出与逻辑组号a对应的物理组号a。3

⑤从物理组号a和组内字节地址b得到物理地址。3

⑥根据物理地址从主存中存取必要的信息。3

调度方式调度方式有分页式、段式、段页式3种。页式调度是将逻辑和物理地址空间都分成固定大小的页。主存按页顺序编号，而每个独立编址的程序空间有自己的页号顺序，通过调度辅存中程序的各页可以离散装入主存中不同的页面位置，并可据表一一对应检索。页式调度的优点是页内零头小，页表对程序员来说是透明的，地址变换快，调入操作简单；缺点是各页不是程序的独立模块，不便于实现程序和数据的保护。段式调度是按程序的逻辑结构划分地址空间，段的长度是随意的，并且允许伸长，它的优点是消除了内存零头，易于实现存储保护，便于程序动态装配；缺点是调入操作复杂。将这两种方法结合起来便构成段页式调度。在段页式调度中把物理空间分成页，程序按模块分段，每个段再分成与物理空间页同样小的页面。段页式调度综合了段式和页式的优点。其缺点是增加了硬件成本，软件也较复杂。大型通用计算机系统多数采用段页式调度。3

页式调度在页式虚拟存储系统中，虚拟空间被分成大小相等的页，称为逻辑页或虚页。主存空间也被分成同样大小的页，称为物理页或实页。相应地，虚拟地址分为两个字段:高位字段为虚页号，低位字段为页内地址。实存地址也分为两个字段：高位字段为实页号，低位字段为页内地址。同时，页的大小都取2的整数幂个字。4

通过页表可以把虚拟地址转换成物理地址。每个程序设置一张页表，在页表中，对应每一个虚页号都有一个条目，条目内容至少包含该虚页所在的主存页面地址(实页号)，用它作为实存地址的高位字段;实页号与虚拟地址的页内地址相拼接，就产生完整的实存地址，据此访问主存。4

段式调度页面是主存物理空间中划分出来的等长的固定区域。分页方式的优点是页长固定，因而便于构造页表、易于管理，且不存在外碎片。但分页方式的缺点是页长与程序的逻辑大小不相关。例如，某个时刻一个子程序可能有一部分在主存中，另一部分则在辅存中。这不利于编程时的独立性，并给换入/换出处理、存储保护和存储共享等操作造成麻烦。4

另一种划分可寻址的存储空间的方法称为分段。段是按照程序的自然分界划分的、长度可以动态改变的区域。通常，程序员把子程序、操作数和常数等不同类型的数据划分到不同的段中，并且每个程序可以有多个相同类型的段。4

在段式虚拟存储系统中，虚拟地址由段号和段内地址组成，虚拟地址到实存地址的变换通过段表来实现。每个程序设置一个段表，段表的每一个表项对应一个段，每个表项至少包括三个字段：有效位(指明该段是否已经调入主存)、段起址(该段在实存中的首地址)和段长(记录该段的实际长度)。4

段页式调度段页式虚拟存储器是段式虚拟存储器和页式虚拟存储器的结合。4

首先，实存被等分成页。在段页式虚拟存储器中，把程序按逻辑结构分段以后，再把每段按照实存的页的大小分页，程序按页进行调入和调出操作，但它又可按段实现共享和保护。因此，它可以兼有页式和段式系统的优点。它的缺点是在地址映像过程中需要多次查表，虚拟地址转换成物理地址是通过一个段表和一组页表来进行定位的。段表中的每个表目对应一个段，每个表目有一个指向该段的页表的起始地址(页号)及该段的控制保护信页表指明该段各页在主存中的位置以及是否已装入、已修改等标志。4

虚拟存储地址变换虚拟存储器地址变换基本上有3种形虚拟存储器工作过程式：全联想变换、直接变换和组联想变换。任何逻辑空间页面能够变换到物理空间任何页面位置的方式称为全联想变换。每个逻辑空间页面只能变换到物理空间一个特定页面的方式称为直接变换。组联想变换是指各组之间是直接变换，而组内各页间则是全联想变换。替换规则用来确定替换主存中哪一部分，以便腾空部分主存，存放来自辅存要调入的那部分内容。常见的替换算法有4种。5

①随机算法：用软件或硬件随机数产生器确定替换的页面。5

②先进先出：先调入主存的页面先替换。5

③近期最少使用算法（LRU，Least Recently Used）：替换最长时间不用的页面。5

④最优算法：替换最长时间以后才使用的页面。这是理想化的算法，只能作为衡量其他各种算法优劣的标准。5

虚拟存储器的效率是系统性能评价的重要内容，它与主存容量、页面大小、命中率，程序局部性和替换算法等因素有关。5

虚拟内存的关键问题(1)调度问题：决定哪些程序和数据应被调入主存。6

(2)地址映射问题：在访问主存时把虚地址变为主存物理地址（这一过程称为内地址变换）；在访问辅存时把虚地址变成辅存的物理地址（这一过程称为外地址变换），以便换页。此外还要解决主存分配、存储保护与程序再定位等问题。6

(3)替换问题：决定哪些程序和数据应被调出主存。6

(4)更新问题：确保主存与辅存的一致性。6

在操作系统的控制下，硬件和系统软件为用户解决了上述问题，从而使应用程序的编程大大简化。6

虚拟内存设置现在以 Windows系统为例来看看虚拟内存是如何设置的。 Windows系统使用内存虚拟技术，比较圆满地解决了物理内存不足所引起的问题。在 Windows中，虚拟内存其实是一个容量很大的文件 pagefile. sys，称之为页面文件。页面文件具有系统和隐藏属性，正常情况是看不见的，只有在“文件夹选项”对话框中将“隐藏受保护的操作系统文件”和“不显示隐藏的文件和文件夹”这两项的钩去掉后才能看见。7

在 Windows桌面上的“我的电脑”单击鼠标右键，在菜单中点击“属性”，在高级选项卡中的性能一栏里点击设置，再在“性能选项”中选择“高级”选项，就会在下面出现虚拟内存一栏。鼠标单击“更改”按钮，随后就会打开“虚拟内存”设置对话框。7

Windows的虚拟内存设置页面文件可以放置于系统中的联机的任何一个硬盘驱动器上。这个虚拟内存的大小可以自定义，并且是动态变化的，需要设置初始大小和最大值；也可以选择不用人工分配，由操作系统自动来管理;当然，还可以设置为无页面文件，这样系统就没有虚拟内存了，系统的运行可能会因此受影响，所以，通常不要这样设置。7

相关概念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。6

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。6

由此可见，每个程序的虚地址空间可以远大于实地址空间，也可以远小于实地址空间。后一种情况通常出现在多用户或多任务系统中：实存空间较大，而单个任务并不需要很大的地址空间，较小的虚存空间则可以缩短指令中地址字段的长度。6

有了虚存的机制后，应用程序就可以透明地使用整个虚存空间。对应用程序而言，如果主存的命中率很高，虚存的访问时间就接近于主存访问时间，而虚存的大小仅仅依赖于辅存的大小。6

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。cache和主存构成了系统的内存，而主存和辅存依靠辅助软硬件的支持构成了虚拟存储器。6

在三级存储体系中，cache-主存和主存-辅存这两个存储层次有许多相同点：6

(1)出发点相同：二者都是为了提高存储系统的性能价格比而构造的分层存储体系，都力图使存储系统的性能接近高速存储器，而价格和容量接近低速存储器。6

(2)原理相同：都是利用了程序运行时的局部性原理把最近常用的信息块从相对慢速而大容量的存储器调入相对高速而小容量的存储器。6

但cache-主存和主存-辅存这两个存储层次也有许多不同之处：6

(1)侧重点不同：cache主要解决主存与CPU的速度差异问题；而就性能价格比的提高而言，虚存主要是解决存储容量问题，另外还包括存储管理、主存分配和存储保护等方面。6

(2)数据通路不同：CPU与cache和主存之间均有直接访问通路，cache不命中时可直接访问主存；而虚存所依赖的辅存与CPU之间不存在直接的数据通路，当主存不命中时只能通过调页解决，CPU最终还是要访问主存。6

(3)透明性不同：cache的管理完全由硬件完成，对系统程序员和应用程序员均透明；而虚存管理由软件（操作系统）和硬件共同完成，由于软件的介入，虚存对实现存储管理的系统程序员不透明，而只对应用程序员透明（段式和段页式管理对应用程序员“半透明”）。6

(4)未命中时的损失不同：由于主存的存取时间是cache的存取时间的5～10倍，而主存的存取速度通常比辅存的存取速度快上千倍，故主存未命中时系统的性能损失要远大于cache未命中时的损失。6

本词条内容贡献者为:

尹勇 - 教授 - 武汉理工大学