虚拟存储器 – 自学教程

本课目标

理解虚拟内存的设计思想；分清逻辑地址与物理地址；掌握页式、段式、段页式存储管理；了解页表、TLB快表、缺页中断；理解页面置换算法，建立虚拟存储完整工作流程认知。

9.1 虚拟存储器概述

虚拟存储器 Virtual Memory，是由操作系统与硬件（MMU内存管理单元）协同实现的存储抽象技术。
虚拟存储把主存+辅存组合，向程序提供一个远大于物理内存大小的虚拟地址空间。程序看到的地址是虚拟地址（逻辑地址），并不是内存真实物理地址。

核心思路：
程序不需要一次性全部加载进物理主存。只把当前需要使用的页面调入内存；暂时不用的部分留在硬盘/SSD辅存。当访问的内容不在主存时，触发中断，从辅存调入。

好处：

程序可用地址空间远超物理内存容量；

多道程序并发运行，内存利用率提升；

程序使用独立虚拟地址空间，实现内存隔离与保护。

9.2 逻辑地址与物理地址

虚拟地址（逻辑地址 Virtual Address）：程序编译生成的地址，程序视角看到的地址；
物理地址 Physical Address：内存硬件真实的存储单元地址，用来直接访问主存芯片；
地址转换 Address Translation：MMU硬件，把虚拟地址自动翻译成物理地址。

地址转换过程对应用程序透明，应用感知不到物理内存大小。

9.3 三种虚拟存储管理方式

1. 页式存储管理 Paging

把虚拟地址空间和物理内存都切分成固定大小的块：

虚拟页 Virtual Page（页面 Page）：虚拟空间等分；
物理页 Physical Page（页框 Page Frame）：物理内存等分，页面与页框大小相等。

虚拟地址拆分为两部分：虚拟页号 + 页内偏移

虚拟页号：用来查页表，找到对应的物理页框号；
页内偏移：页面内部的地址，转换时保持不变。

页表 Page Table：存放在主存中的映射表，每一条页表项记录：物理页框号、有效位、脏位、保护位。

有效位 Valid Bit：标记该页面是否已经调入物理内存；有效位=0，代表页面在辅存，触发缺页中断 Page Fault。

2. 段式存储管理 Segmentation

按照程序逻辑模块划分（代码段、数据段、栈段），段长度不固定。
虚拟地址 = 段号 + 段内偏移
段表记录：段起始物理地址、段长度、段权限。
优点：符合程序员逻辑，段可以独立保护、共享；
缺点：段长可变，容易产生外部内存碎片。

3. 段页式存储 Segmentation + Paging

折中方案：先把程序划分为逻辑段，每个段内部再划分固定大小页面。
虚拟地址分为三段：段号、页号、页内偏移。
兼顾段式的逻辑划分优势，以及页式无外部碎片的优点；硬件复杂度最高。

9.4 TLB 快表 Translation Lookaside Buffer

每次地址转换都要访问主存中的页表，会额外增加一次内存访问延迟。
TLB快表：放置在CPU内部的高速缓存，缓存最近常用的虚拟页→物理页映射条目。

TLB命中：直接拿到物理页框号，无需访问内存页表，速度快；
TLB缺失：需要访问主存里的页表，完成地址转换，同时更新TLB。

TLB本质就是页表的Cache。

9.5 缺页中断 Page Fault

CPU访问虚拟地址时，查询页表发现有效位为0 → 页面不在物理内存，触发缺页中断：

暂停当前指令执行，保存现场；
操作系统中断服务程序，到辅存读取目标页面；
在物理内存寻找空闲页框；内存已满则执行页面置换算法，淘汰旧页面；
将新页面从辅存载入主存，更新页表（有效位置1）；
返回，重新执行触发缺页的指令。

⚠️ 缺页中断属于故障（Fault），指令执行失败后会重新执行，和普通I/O中断有区别。

9.6 页面置换算法

物理内存没有空闲页框，调入新页面时必须淘汰一个内存中的页面：

OPT最优置换算法 Optimal：淘汰未来最长时间不会访问的页面。理论性能最好，但是无法提前预知未来访问序列，仅用于理论参考；
FIFO先进先出：按页面调入顺序淘汰。实现简单，存在Belady异常（增加页框数量，缺页次数反而上升）；
LRU最近最少使用 Least Recently Used：淘汰很久没有访问的页面。工程最常用，性能接近OPT；
Clock时钟算法：LRU的简化低成本版本，用访问位循环扫描，硬件开销更小。

本课小结

虚拟存储器依靠软硬件协同，把主存+辅存统一编址，给程序提供更大虚拟地址空间。分为页式、段式、段页式三种管理方式。MMU完成虚实地址转换，TLB加速页表查找；页面不在内存时触发缺页中断。页面置换算法用来选择要被淘汰的页面，LRU是主流选择。

思考练习

虚拟地址与物理地址有什么区别？地址转换由哪个硬件完成？
简述页式存储中虚拟地址的组成，有效位作用是什么？
TLB快表的作用是什么？TLB缺失和缺页中断是一回事吗？
什么是缺页中断？简述缺页中断处理流程。
LRU与FIFO置换算法的特点，什么是Belady异常？