6.4 虚拟存储系统（详细笔记）

核心概念：虚拟存储器（Virtual Memory）是由主存储器（DRAM）和辅助存储器（磁盘）共同构成的存储层次。它为应用程序提供了一个比实际物理内存大得多的逻辑地址空间。

6.4.1 基本概念与特点

1. 定义与目标

• 构成：主存（实体）+ 辅存（虚体）。
• 目标：解决容量问题。在尽可能低的价格下，提供尽可能大的存储容量（接近辅存）和尽可能高的速度（接近主存）。
• 透明性：
  • 对应用程序员透明（他们只看到逻辑地址，觉得内存很大）。
  • 对系统程序员（OS开发者）不透明（需管理页面调度）。

2. Cache与虚拟存储系统的比较（重要考点）

比较项目	Cache存储系统	虚拟存储系统
目的	弥补主存速度的不足	弥补主存容量的不足
构成	Cache + 主存	主存 + 辅存 (磁盘)
实现方式	全部由硬件实现	OS软件 + 少量硬件支持
数据单位	块 (Block/Line) - 小 (几十字节)	页 (Page) - 大 (1KB~4KB)
速度比	几 : 1	几千/几万 : 1 (主存vs磁盘)
失效处理	CPU不切换线程，硬件自动处理	CPU切换到其他进程 (Context Switch)
透明性	对所有程序员透明	对应用程序员透明

3. 地址空间（三种）

1. 虚拟/逻辑地址 (Virtual Address)：程序员编写程序时使用的地址 (虚页号 + 页内偏移)。
2. 主存/物理地址 (Physical Address)：数据在内存中的实际地址 (实页号 + 页内偏移)。
3. 辅存地址：磁盘上的地址 (柱面、磁头、扇区)。

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6.4.2 虚拟存储器的管理方式

主要有三种方式：页式、段式、段页式。

1. 页式管理 (Paging) —— 最普遍

基本思想：将主存和程序空间都切分成固定大小的块，称为页 (Page)。

• 虚页 (Virtual Page)：程序空间的页。
• 实页/页框 (Page Frame)：主存空间的页。
• 地址变换：虚页号 $\to$ 实页号。页内偏移量保持不变。
• 页表 (Page Table)：
  • 作用：记录虚页与实页的映射关系。
  • 位置：存放在主存中。
  • 表项内容：实页号、装入位 (Valid bit)、修改位 (Dirty bit)、访问权限等。
• 多级页表：
  • 原因：如果虚存空间很大（如4GB），页太小（如1KB），单级页表会非常大（4M个表项），难以连续存放。
  • 解决：采用多级页表（如页目录 -> 页表），只将当前需要的页表调入主存。

2. 段式管理 (Segmentation)

基本思想：按程序的逻辑结构（如代码段、数据段、堆栈段）自然分段，段长可变。

• 地址结构：段号 + 段内偏移。
• 优点：
  • 符合逻辑，模块化好。
  • 易于实现存储保护和共享（代码段只读共享）。
  • 动态链接容易。
• 缺点：
  • 内存分配复杂，容易产生外部碎片。
  • 地址变换需两次加法（段基址 + 偏移），速度慢。

3. 段页式管理 (Segmented Paging)

基本思想：先将程序分段，再将每个段分页。

• 地址结构：段号 + 页号 + 页内偏移。
• 机制：
  • 每个程序有一个段表。
  • 每个段有一个页表。
• 优缺点：集合了页式（内存利用率高）和段式（逻辑清晰）的优点，但需要两次查表（查段表得页表地址 $\to$ 查页表得物理页号），开销大。

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6.4.3 提高访问速度的措施 —— TLB（快表）

由于页表存放在主存中，每次访存至少需要两次访问物理内存（一次查页表，一次取数据），速度太慢。

1. TLB (Translation Lookaside Buffer)

• 定义：一个高速、小容量的相联存储器，存放在CPU内部。
• 别名：转换后备缓冲器、快表。
• 作用：存放近期最常访问的页表项副本（根据局部性原理）。
• 工作流程：
  1. CPU发出虚拟地址。
  2. 同时查找TLB（快表）和主存页表（慢表）。
  3. TLB命中：直接得到物理地址，停止查慢表（只需1次访存）。
  4. TLB失效：继续查主存页表，得到物理地址，并更新TLB。
     • 若TLB已满，需使用替换算法（如LRU）。

2. 性能分析

• TLB命中率通常很高（>98%）。
• 一旦TLB命中，物理地址转换几乎不消耗额外时间。

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6.4.4 页面替换与缺页处理

1. 缺页 (Page Fault)

• 现象：CPU访问的虚页对应的"装入位"为0（不在主存中）。
• 处理：
  1. 硬件产生异常中断。
  2. 操作系统（OS）响应，挂起当前进程。
  3. 启动I/O，将缺失的页从磁盘调入主存。
  4. 更新页表和TLB。
  5. 重新执行刚才的指令。

2. 替换算法

当主存已满，需要调入新页时，必须替换掉旧页。

• 策略：
  • FIFO：先进先出，性能差。
  • LRU：近期最少使用，性能好，OS通常采用近似实现（如时钟算法）。
• 写回策略：虚拟存储系统大多采用写回法 (Write-Back)。
  • 因为写磁盘太慢，只有在页面被替换出去时，才将修改过的脏页写回磁盘。

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总结：CPU一次完整的访存操作流程

这是一个高频考点，涉及TLB、页表、Cache、主存的联动：

1. CPU给出虚拟地址。
2. 查TLB：
   • Hit：直接得到物理地址。
   • Miss：查主存页表 $\to$ 得到物理地址 $\to$ 更新TLB。
     • 注：若查页表发现"缺页"，则触发异常，OS从磁盘调页。
3. 得到物理地址后，查Cache：
   • Hit：直接传送数据给CPU（最快情况）。
   • Miss：访问主存 $\to$ 取数据 $\to$ 送CPU并填入Cache。

可能发生的三种失效：

1. TLB失效：需查主存页表（软/硬件处理）。
2. 缺页 (Page Fault)：需访问磁盘（最慢，OS处理）。
3. Cache失效：需访问主存。

包含关系（易混淆）

• 如果Cache命中，则主存和页面一定已调入（TLB可能有也可能没有，取决于设计，通常TLB先于Cache）。
• 如果发生缺页，则Cache和TLB一定不命中。

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6.4.5 核心例题

本章涉及的核心例题包括：

• 例6-10：页表级数计算
• 例6-10扩展：页表项大小计算
• 例6-10扩展2：TLB命中率计算
• 例6-12：综合访存流程分析（TLB + 页表 + Cache + 主存）

详细解题过程请参考：核心例题详解