虛擬存儲器機(jī)制與高速緩存Cache機(jī)制很類似，高速緩存Cache是緩存了內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，虛擬存儲器是在內(nèi)存中緩存了磁盤的數(shù)據(jù)。如果虛擬存儲器中數(shù)據(jù)不存在，那么需要從磁盤上讀取數(shù)據(jù)，然后放入內(nèi)存。由于磁盤的速度要比內(nèi)存慢10萬倍，所以除了必要的情況，應(yīng)盡量少的從磁盤反復(fù)讀取數(shù)據(jù)。虛擬存儲器采用全相聯(lián)映射方式，所以每個虛擬地址可以映射到內(nèi)存的任何一個空閑位置，因此與Cache類似，虛擬存儲器必須有一種方法確定每個進(jìn)程虛擬地址對應(yīng)內(nèi)存的位置或磁盤位置，其的映射方式有3種：分頁式、分段式和段頁式，下面一起來看看：

1.分頁式虛擬存儲器

分頁式存儲器把內(nèi)存和虛擬地址空間都劃分成大小相等的頁面，磁盤和內(nèi)存按頁面為單位交換信息。通常把虛擬地址空間的頁面成為虛擬頁/邏輯頁(VP)，內(nèi)存中的頁面成為頁框/物理頁(PP)。

1.1頁表

操作系統(tǒng)在內(nèi)存中給每個進(jìn)程生成一個頁表，頁表中對應(yīng)每個虛擬頁都有一個表項，表項內(nèi)容包括存放位置字段、裝入位、修改位、替換控制位、存取權(quán)限位、禁止緩存位。它們的作用分別如下：

①存放位置字段：用來建立虛擬頁和物理頁之間的映射，用于虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換

②裝入位：也稱有效位或存在位，為1表示磁盤數(shù)據(jù)已調(diào)入內(nèi)存，位置字段指向物理頁號。為0表示磁盤數(shù)據(jù)沒有被調(diào)入內(nèi)存，若位置字段為null則說明此位置空閑，若不為null則說明等待磁盤數(shù)據(jù)調(diào)入內(nèi)存

③修改位：標(biāo)識頁面是否被修改過，在執(zhí)行回寫策略時根據(jù)此字段判斷是否需要把數(shù)據(jù)寫回磁盤

④替換控制位：標(biāo)識頁面使用情況，配合替換策略設(shè)置

⑤訪問權(quán)限位：標(biāo)識頁面是可讀可寫、只讀、只可執(zhí)行，用于存儲保護(hù)

⑥禁止緩存位：標(biāo)識頁面是否可以裝入Cache，保證磁盤、內(nèi)存、Cache數(shù)據(jù)一致性

頁表、內(nèi)存、磁盤的映射示意圖如圖1所示：

圖1 映射示意圖

例如，CPU執(zhí)行一條指令需要訪問數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)正好在虛擬頁VP1中，查詢頁表可知，VP1裝入位為1，對應(yīng)的物理頁PP0，這時就可以通過地址轉(zhuǎn)換部件把將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址，然后訪問PP0的數(shù)據(jù)。

如果數(shù)據(jù)在VP6中，VP6對應(yīng)的裝入位為0，表示頁面缺失，發(fā)生“缺頁”異常，需要操作系統(tǒng)進(jìn)行“缺頁”異常處理程序處理。“缺頁”異常處理程序根據(jù)頁表中VP6對應(yīng)的存放位置字段，從磁盤中將數(shù)據(jù)讀出，然后找一個空閑的物理頁框存放，若內(nèi)存中沒有空閑的頁框，則選擇一個頁面替換到磁盤上。

因為采用寫回策略，所以頁面淘汰時，需要根據(jù)修改位確定是否要寫回磁盤。缺頁處理過程中需要對頁表進(jìn)行相應(yīng)的更新。缺頁異常處理結(jié)束后，程序回到原來發(fā)生缺頁的指令繼續(xù)執(zhí)行。

對于VP0和VP4，隨著進(jìn)程的動態(tài)執(zhí)行，這些頁面可能就會有了具體的數(shù)據(jù)。例如，當(dāng)調(diào)用malloc函數(shù)時，堆區(qū)增長，新增的堆區(qū)正好與VP4對應(yīng)，則操作系統(tǒng)就在磁盤上分配一個存儲空間給VP4，同時把VP4頁表項中的存放位置字段填上，對應(yīng)的就是磁盤上的起始地址。之后便等待訪問到這頁數(shù)據(jù)時，再次執(zhí)行上面的缺頁異常流程，讀取數(shù)據(jù)。

1.2地址轉(zhuǎn)換

上面說完了頁表、內(nèi)存、磁盤的映射關(guān)系和數(shù)據(jù)讀取流程，其中有個環(huán)節(jié)是需要把虛擬地址轉(zhuǎn)換為真正的物理地址，轉(zhuǎn)換工作由CPU中的存儲器管理部件(MMU)完成，具體做法如下：

①虛擬地址分為兩部分：高位為虛擬頁號，低位為頁內(nèi)偏移地址

②物理地址也分為兩部分：高位是物理頁號，低位為頁內(nèi)便宜地址

③每個進(jìn)程都有一個頁表基址寄存器，存放該進(jìn)程頁表首地址

④根據(jù)頁表基址寄存器找到對應(yīng)的頁表，由虛擬地址高位部分的虛擬頁號為索引，找到頁表項

⑤若裝入位為1，則取出對應(yīng)的物理頁號，然后和虛擬頁內(nèi)地址拼接，得到司機(jī)的物理地址

⑥如裝入位為0，則交給操作系統(tǒng)執(zhí)行“缺頁”處理

執(zhí)行流程如圖2所示：

圖2 執(zhí)行流程

1.3快表

從上述過程可以看出，每次訪問內(nèi)存都需要先查頁表，然后根據(jù)規(guī)則找出物理地址，然后再訪問實際的物理地址對應(yīng)的數(shù)據(jù)。如果發(fā)生缺頁，還要進(jìn)行頁表替換、頁表修改等操作，訪問內(nèi)存的次數(shù)就更多。采用虛擬存儲器，訪問內(nèi)存的次數(shù)增加了很多。那有沒有什么辦法減少訪問次數(shù)，還能達(dá)到同樣的效果呢?

答案是可以的，我們可以把頁表中最活躍的幾個頁表項復(fù)制到高速緩存Cache中，這種高速緩存Cache中的頁表項組成的頁表稱為快表(TLB)。

這樣在進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換時，先查看快表中是否命中，如果命中，則無需訪問內(nèi)存中的頁表即可。通過這種方式可大大降低內(nèi)存訪問的次數(shù)，提升效率。

到此可以總結(jié)一下CPU訪問數(shù)據(jù)的完整過程，如圖3所示：

圖3 CPU訪問數(shù)據(jù)的完整過程

2.分段式虛擬存儲器

分頁方式的虛擬存儲器優(yōu)點是頁長固定，易管理，不存在碎片。但缺點是頁長與程序的邏輯大小無關(guān)。例如，某個時刻一段代碼有一部分在內(nèi)存中，另外一部分則在磁盤上，不利于編程時的獨立性，且給存儲保護(hù)和存儲共享造成了麻煩。所以又提出了分段式的存儲器。把一段程序按照類別劃分為段，例如方法、操作數(shù)、常數(shù)劃分到不同的段中，每個段都是一組相對完整的邏輯信息。這樣做的好處是可以按不同類型進(jìn)行存儲管理，也利于多個程序組合時，對同一段邏輯可以組合復(fù)用提供了便利。

分段的方式具體如下：

①虛擬地址由段號和段內(nèi)地址組成

②內(nèi)存按程序中的段劃分，每個段在內(nèi)存中的位置記錄在段表中

③每個進(jìn)程都有一個段表，每個段在段表中有一個段表項，標(biāo)識段的位置、長度、訪問權(quán)限、使用和裝入情況

分段存儲器把虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址流程如圖4所示：

圖4 虛擬地址與物理地址的轉(zhuǎn)換

2.1分段式虛擬存儲器優(yōu)點

①段的劃分與程序的自然分界相對應(yīng)

②段的易于編譯、管理、修改和保護(hù)，也便于多道程序共享

③段具有動態(tài)可變長度，允許自由調(diào)度以便利用內(nèi)存空間

2.2分段式虛擬存儲器缺點

①段的長度不相同，起點和終點不固定，給內(nèi)存分配帶來麻煩

②容易在內(nèi)存中留下零碎空間，導(dǎo)致空間浪費

3.段頁式虛擬存儲器

段頁式虛擬存儲器是結(jié)合了分頁式和分段式的優(yōu)點，具體方式如下：

①程序按模塊分段，段內(nèi)再分頁，用段表和頁表進(jìn)行兩級定位管理

②段表中每個表項對應(yīng)一個段，每個段表中包含一個指向該段頁表起始位置以及控制信息和保護(hù)信息

③頁表指明該段各頁在內(nèi)存中的位置和是否裝入、修改等狀態(tài)信息

④程序數(shù)據(jù)調(diào)入調(diào)出按頁進(jìn)行，又可以按段實現(xiàn)共享和保護(hù)。

缺點是地址映射過程需要多次查表。

每個用戶進(jìn)程有一個基號，標(biāo)識用戶進(jìn)程，進(jìn)程的段表起始地址存放在各自對應(yīng)的基地寄存器中，格式如圖5所示：

用戶進(jìn)程格式

圖5 用戶進(jìn)程格式

邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換過程如圖6所示：

圖6 邏輯地址與物理地址的轉(zhuǎn)換

4.存儲保護(hù)

為了避免多個程序運行時互相干擾，或者某個程序不合法地訪問了其他程序的數(shù)據(jù)，應(yīng)該對每個程序進(jìn)行存儲保護(hù)，保護(hù)的對象包括操作系統(tǒng)和用戶程序。

(1)對操作系統(tǒng)存儲保護(hù)主要是硬件提供支持：

①支持至少2種運行模式：管理模式、用戶模式，操作系統(tǒng)在管理模式下管理各種功能，用戶進(jìn)程運行在用戶模式下

②部分CPU狀態(tài)只能由系統(tǒng)進(jìn)程寫，用戶進(jìn)程只能讀：例如段表、頁表首地址、TLB內(nèi)容等

③提供讓CPU在管理模式和用戶模式之間切換的機(jī)制：通過“異常”處理讓CPU從用戶模式切換到管理模式，異常處理完成后通過“返回”指令讓CPU回到用戶模式

(2)對于用戶進(jìn)程的保護(hù)主要分為訪問方式保護(hù)和存儲區(qū)域保護(hù)：

①訪問方式保護(hù)：檢查“訪問越權(quán)”，通過段表或頁表的訪問權(quán)限位控制，例如共享區(qū)域只可讀不可寫，程序段只可執(zhí)行或只讀，未授權(quán)區(qū)域不可訪問等

②存儲區(qū)域保護(hù)：檢查“地址越界”，通過段頁的起始地址和終止地址控制

總結(jié)

以上就是虛擬存儲器的實現(xiàn)方法介紹了。虛擬存儲器是為了給用戶提供更大的隨機(jī)存取空間而采用的一種存儲技術(shù)。它將內(nèi)存與外存結(jié)合使用，好像有一個容量極大的內(nèi)存儲器，工作速度接近于主存，每位成本又與輔存相近，在整機(jī)形成多層次存儲系統(tǒng)。目前已成為計算機(jī)系統(tǒng)中非常重要的部分。
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