虛拟存儲器是存儲管理中一個特别重要的概念，你要認真掌握虛存的定義和特征。此外，你還要知道為何要引入虛存、實現虛存技術的物質基礎、虛存容量受到哪兩方面的限制。

（1）引入虛拟存儲器的好處

① 用戶編制程序時不必考慮内存容量的限制，隻要按照實際問題的需要來确定合适的算法和數據結構就可簡化程序設計的任務。

② 由于每個進程隻有一部分裝入内存，因而占用内存空間較少，在一定容量的内存中就可同時裝入更多的進程，也相應增加了CPU的利用率和系統的吞吐量。

為了給用戶（特别是大作業用戶）提供方便，操作系統應把各級存儲器統一管理起來。就是說，應該把一個程序當前正在使用的部分放在内存中，而其餘部分放在磁盤上，在這種情況下啟動進程執行。操作系統根據程序執行時的要求和内存的實際使用情況，使用對換技術随機地對每個程序進行換入/換出。

（2）對換技術

對換技術也稱作交換技術。它的實現方式就類似于日常生活中幾個單位租用一個會議廳那樣，甲單位租用時間到了，就退出會議廳，由乙單位使用；乙單位到時後，也退出去，由丙單位使用，等等。如甲單位還需使用，就再租用，由管理者安排占用時間。

多道程序環境中也采用對換技術。此時，内存中保留多個進程。當内存空間不足以容納要求進入内存的進程時，系統就把内存中暫時不能運行的進程（包括程序和數據）換出到外存上，騰出内存空間，把具備運行條件的進程從外存換到内存中。在UNIX/Linux系統中對内存的管理就利用了這種多道程序的對換技術。

（3）虛拟存儲器的概念

虛拟存儲器（Virtual Memory）是用戶能作為可編址内存對待的虛拟存儲空間，它使用戶邏輯存儲器與物理存儲器分離，是操作系統給用戶提供的一個比真實内存空間大得多的地址空間。就是說，虛拟存儲器并不是實際的内存，它的大小比内存空間大得多；用戶感覺所能使用的“内存”非常大，這是操作系統對邏輯内存的擴充。

實現虛拟存儲技術的物質基礎是二級存儲器結構和動态地址轉換機構。經過操作系統的改造，将内存和外存有機地聯系在一起，在用戶面前呈現一個足以滿足編程需要的特大内存空間。

虛拟存儲器實質上是把用戶地址空間和實際的存儲空間區分開來，當作兩個不同的概念。動态地址轉換機構在程序運行時把邏輯地址轉換成物理地址，以實現動态定位。

應注意，虛拟存儲器雖然給用戶提供了特大地址空間，用戶在編程時一般不必考慮可用空間有多大，但虛拟存儲器的容量不是無限大的。它主要受到兩方面的限制：

① 指令中表示地址的字長。機器指令中表示地址的二進制位數是有限的，如果地址單元以字節編址，且表示地址的字長是16位，則可以表示的地址空間最大是64KB。如果表示地址的字長是32位，則可以表示的地址空間最大是4GB。

② 外存的容量。從實現觀點來看，用戶的程序和數據都必須完整地保存在外存（如硬盤）中。然而，外存容量、傳送速度和使用頻率等方面都受到物理因素的限制。就是說，磁盤的容量有限，并非真正“無窮大”，其傳送速度也不是“無限快”，所以，虛拟空間不可能無限大。

虛拟存儲器的特征可以用16個字來概括：虛拟擴充、部分裝入、離散分配、多次對換。

對于虛拟存儲器這個基本概念應從以下4個方面進行理解，這些也是虛拟存儲器所具有的基本特征：

① 虛拟擴充

虛拟存儲器不是擴大物理内存空間，而是擴充邏輯内存容量。就是說，用戶編程時所用到的地址空間可以遠大于實際内存的容量。例如，實際内存隻有1MB，而用戶程序和數據所用的空間卻可以達到10MB或者更多。所以，用戶“感覺”内存擴大了。

② 部分裝入

每個進程不是全部一次性地裝入内存，而是分成若幹部分。當進程要執行時，隻需将當前運行需要用到的那部分程序和數據裝入内存。以後在運行過程中用到其他部分時，再分别把那些部分從外存調入内存。

③ 離散分配

一個進程分成多個部分，它們沒有被全部裝入内存。即使裝入内存的那部分也不必占用連續的内存空間。這樣，一個進程在内存的部分可能散布在内存的不同地方，彼此并不連續。這樣做，不僅可避免内存空間的浪費，而且為進程動态調入内存提供方便。

④ 多次對換

在一個進程運行期間，它所需的全部程序和數據分成多次調入内存。每次調入一部分，隻解決當前需要，而在内存的那些暫時不被使用的程序和數據，可換出到外存的對換區；甚至把暫時不能運行的進程在内存的全部映像都換出到對換區，以騰出盡量多的内存空間供可運行的進程使用。被調出的程序和數據在需要時可以重新調入内存中。

虛拟存儲器根據地址空間的結構不同可以分為分頁虛拟存儲器和分段虛拟存儲器兩類。本課程隻介紹分頁虛拟存儲器。

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