虛擬存儲器的概念和特征

一、引言

隨著計算機技術的飛速發(fā)展，存儲器的容量和速度成為了影響計算機性能的關鍵因素。在解決內存容量不足和速度瓶頸的過程中，虛擬存儲器（Virtual Memory）技術應運而生。虛擬存儲器技術能夠在邏輯上為用戶提供一個比物理貯存容量大得多、可尋址的“主存儲器”，從而極大地提高了計算機系統(tǒng)的存儲能力。本文將詳細介紹虛擬存儲器的概念、原理、特征及其在計算機系統(tǒng)中的應用。

二、虛擬存儲器的概念

虛擬存儲器是在具有層次結構存儲器的計算機系統(tǒng)中，自動實現(xiàn)部分裝入和部分替換功能的一種技術。它能夠從邏輯上為用戶提供一個比物理貯存容量大得多、可尋址的“主存儲器”。虛擬存儲區(qū)的容量與物理主存大小無關，而受限于計算機的地址結構和可用磁盤容量。根據(jù)所用的存儲器映像算法，虛擬存儲器管理方式主要有段式、頁式、和段頁式三種。

三、虛擬存儲器的特征

虛擬存儲器具有四個基本特征：離散性、多次性、對換性和虛擬性。這些特征共同構成了虛擬存儲器技術的核心。

離散性

離散性是虛擬存儲器最基本的特征。它指的是在內存分配時采用離散分配的方式，而不是連續(xù)分配。在連續(xù)分配方式中，需要將作業(yè)裝入到連續(xù)的內存區(qū)域，這樣需要連續(xù)地一次性申請一部分內存空間，無法實現(xiàn)虛擬存儲功能。而離散分配方式則能夠避免浪費內存空間，為作業(yè)申請所需的內存空間。

多次性

多次性是指一個作業(yè)被分成多次調入內存運行。在作業(yè)運行時，只將當前運行的那部分程序和數(shù)據(jù)裝入內存，以后再陸續(xù)從外存將需要的部分調入內存。這種多次性特點使得虛擬存儲器能夠更有效地利用內存資源，提高系統(tǒng)的運行效率。

對換性

對換性是指允許在作業(yè)運行過程中換進換出。也就是說，允許將暫時不用的程序和數(shù)據(jù)從內存調至外存的對換區(qū)，以后需要時再從外存調入到內存。這種對換性特點使得虛擬存儲器能夠靈活地管理內存資源，滿足系統(tǒng)對內存的需求。

虛擬性

虛擬性是虛擬存儲器最重要的特征之一。它指的是能夠從邏輯上擴充內存容量，使用戶所看到的內存容量遠大于實際的內存容量。虛擬存儲器通過一定的算法和策略，將物理內存和磁盤空間結合起來，為用戶提供一個統(tǒng)一的、可尋址的內存空間。這種虛擬性特點使得計算機系統(tǒng)能夠支持更大的程序和數(shù)據(jù)集，提高了系統(tǒng)的存儲能力。

四、虛擬存儲器的原理

虛擬存儲器的實現(xiàn)原理主要包括頁式存儲管理、段式存儲管理和段頁式存儲管理三種方式。其中，頁式存儲管理是最常用的方式之一。它通過將內存空間劃分為若干個大小相等的頁面（Page），并將頁面作為內存管理的基本單位。同時，將用戶程序也劃分為若干個大小相等的頁面（稱為邏輯頁面或頁框），并將這些頁面存放在磁盤等輔助存儲器中。當需要執(zhí)行某個程序時，只將當前需要的頁面裝入內存，其他頁面則保留在磁盤中。當內存中的頁面被替換時，只需將需要替換的頁面寫回磁盤即可。通過這種方式，虛擬存儲器能夠在不增加物理內存容量的情況下，為用戶提供更大的內存空間。

五、虛擬存儲器在計算機系統(tǒng)中的應用

虛擬存儲器技術在計算機系統(tǒng)中有著廣泛的應用。首先，它解決了內存容量不足的問題，使得計算機系統(tǒng)能夠支持更大的程序和數(shù)據(jù)集。其次，虛擬存儲器技術通過離散分配和多次性特點，提高了內存資源的利用率和系統(tǒng)的運行效率。此外，虛擬存儲器技術還具有對換性和虛擬性特點，能夠靈活地管理內存資源并滿足系統(tǒng)對內存的需求。在操作系統(tǒng)中，虛擬存儲器技術被廣泛應用于進程管理、文件管理和設備管理等方面。例如，在進程管理中，操作系統(tǒng)可以為每個進程分配一個獨立的虛擬地址空間，并通過頁表等機制實現(xiàn)進程間的地址隔離和保護；在文件管理中，操作系統(tǒng)可以將文件映射到虛擬地址空間中，從而實現(xiàn)對文件的快速訪問和操作；在設備管理中，操作系統(tǒng)可以利用虛擬存儲器技術實現(xiàn)設備驅動程序與物理設備的分離和獨立加載等功能。

六、結論

綜上所述，虛擬存儲器技術是一種重要的計算機存儲技術。它通過離散分配、多次性、對換性和虛擬性等特點，解決了內存容量不足和速度瓶頸的問題，并提高了系統(tǒng)的存儲能力和運行效率。在未來的計算機系統(tǒng)中，虛擬存儲器技術將繼續(xù)發(fā)揮重要作用，為計算機系統(tǒng)的發(fā)展提供有力的支持。