# 3.4 虚拟存储器

## 一、虚拟存储器概述

### 1.1 为什么需要虚拟存储器

**问题**：
- 主存容量有限
- 大程序无法装入
- 多道程序运行受限

**解决**：
- 使用磁盘作为辅助存储
- 只装入部分程序到主存
- 需要时再调入

### 1.2 虚拟存储器的概念

**虚拟存储器**：
- 将主存和磁盘统一管理
- 为用户提供比实际主存大的地址空间
- 由操作系统和硬件协同实现

**特点**：
- 虚拟地址空间 >> 物理地址空间
- 部分装入
- 按需调页/段
- 对用户透明

### 1.3 虚拟地址和物理地址

**虚拟地址（逻辑地址）**：
- 程序使用的地址
- 由CPU生成

**物理地址**：
- 实际的内存地址
- 由MMU转换

**地址转换**：
```
虚拟地址 ──MMU──> 物理地址
```

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## 二、页式虚拟存储器

### 2.1 页式管理的基本概念

**页（Page）**：
- 虚拟地址空间划分为固定大小的页
- 典型大小：4KB

**页框（Page Frame）**：
- 物理内存划分为与页大小相同的页框

**页表（Page Table）**：
- 记录虚拟页到物理页框的映射
- 每个进程一个页表

### 2.2 地址转换

**虚拟地址划分**：
```
| 虚拟页号 | 页内偏移 |
|----------|----------|
```

**转换过程**：
1. 从虚拟地址提取虚拟页号和页内偏移
2. 查页表，得到物理页框号
3. 物理地址 = 物理页框号 || 页内偏移

### 2.3 页表项

**页表项内容**：
- 物理页框号
- 有效位（是否在内存）
- 修改位（是否被修改）
- 访问位（是否被访问）
- 保护位（读/写/执行）

### 2.4 快表（TLB）

**TLB（Translation Lookaside Buffer）**：
- 页表的高速缓存
- 存放最近使用的页表项

**地址转换**：
```
虚拟地址 ──> TLB?
  ├── 命中 ──> 物理地址
  └── 未命中 ──> 查页表 ──> 物理地址
```

### 2.5 多级页表

**为什么需要多级页表**：
- 页表太大
- 节省空间

**二级页表**：
```
虚拟地址：| 一级页号 | 二级页号 | 页内偏移 |
```

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## 三、段式虚拟存储器

### 3.1 段式管理的基本概念

**段（Segment）**：
- 按程序的逻辑结构划分
- 代码段、数据段、堆栈段等
- 大小可变

**段表**：
- 记录段的基址和长度

### 3.2 地址转换

**虚拟地址**：
```
| 段号 | 段内偏移 |
|------|----------|
```

**转换过程**：
1. 查段表，得到段基址和段长
2. 检查段内偏移是否越界
3. 物理地址 = 段基址 + 段内偏移

### 3.3 段式 vs 页式

| 特性 | 页式 | 段式 |
|-----|------|------|
| 划分单位 | 固定大小页 | 可变大小段 |
| 划分依据 | 物理 | 逻辑 |
| 内部碎片 | 有 | 无 |
| 外部碎片 | 无 | 有 |
| 共享 | 困难 | 容易 |
| 保护 | 困难 | 容易 |

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## 四、段页式虚拟存储器

### 4.1 段页式管理

**结合段式和页式的优点**：
- 先分段，再分页
- 每段一个页表

**地址转换**：
```
虚拟地址 ──> 段表 ──> 页表 ──> 物理地址
```

### 4.2 地址结构

```
| 段号 | 页号 | 页内偏移 |
|------|------|----------|
```

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## 五、页面置换算法

### 5.1 最佳置换算法（OPT）

**方法**：
- 置换未来最长时间不使用的页面

**特点**：
- 理论最优
- 无法实现（需要预知未来）

### 5.2 先进先出算法（FIFO）

**方法**：
- 置换最早调入的页面

**特点**：
- 实现简单
- 可能产生Belady异常

### 5.3 最近最少使用算法（LRU）

**方法**：
- 置换最近最少使用的页面

**特点**：
- 性能好
- 实现复杂

### 5.4 时钟置换算法（Clock）

**方法**：
- LRU的近似实现
- 使用访问位

**过程**：
1. 指针指向最早调入的页面
2. 检查访问位：
   - 为0：置换
   - 为1：置0，指针下移

### 5.5 改进型Clock算法

**增加修改位**：
- 优先置换未修改的页面

**分类**：
- (0,0)：未访问，未修改 — 最佳置换
- (0,1)：未访问，已修改
- (1,0)：已访问，未修改
- (1,1)：已访问，已修改

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## 六、考研重点

1. **虚拟存储器概述**：
   - 为什么需要
   - 概念
   - 虚拟地址和物理地址

2. **页式虚拟存储器**：
   - 页、页框、页表
   - 地址转换
   - 页表项
   - TLB
   - 多级页表

3. **段式虚拟存储器**：
   - 段、段表
   - 地址转换
   - 段式 vs 页式

4. **段页式虚拟存储器**

5. **页面置换算法**：
   - OPT
   - FIFO
   - LRU
   - Clock
   - 改进型Clock

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*下一节：3.5 辅助存储器*