存儲管理——虛擬內存

存儲管理中虛擬內存是當內存容量不足時需要考慮的一個問題。那麼：

• 1）虛擬內存是否可實現？
• 2）虛擬內存如何擴展內存容量？

接下來看看，怎麼內存是通過外存來擴展的。

1） 虛擬內存是否可以實現？

爲什麼提出這個問題，實際上問的是這個問題：程序真的可以劃分成很多塊，取部分程序塊裝入較小的內存中，然後還能正確運行麼？
面對後者提問，可以將程序的邏輯地址正確轉化物理地址，實現程序的分塊；同時爲了高效的完成邏輯地址映射到物理地址的操作，使用頁式管理，段式管理或兩者結合的方式。
但是由於是從外存中裝入到內存中，由於訪問外存的速度相對於更慢，是否能高效的完成這個動作？經過大量的試驗發現程序的運行符合局部性原理，集中訪問程序中的某幾塊，如果將經常使用的程序塊減少移動次數，便可解決這問題。
暫且只考慮到此，其中較爲重要的缺頁中斷處理，以後再說。

2） 虛擬內存如何擴展內存容量？

擴展方式有以下幾種：
1. 頁式管理
2. 二級頁式管理
3. 倒排頁表
4. 段式管理
5. 段頁式管理
以下將結合圖示（參考操作系統精髓與設計原理中文第6版）具體地描述各種擴展方式。

2.1 頁式管理

其中由於程序劃分的虛擬內存塊大小與實際內存一致，這就保證了程序中的偏移地址，與內存中的偏移地址一致；
由於在程序裝入內存時建立了頁表，這就保證了程序可以將虛擬地址映射到頁表，訪問實際地址。
看看如何將程序的虛擬地址轉化爲實際地址，實現程序的有效運行。
a. 虛擬地址=頁號：偏移量，將其中的頁號，與頁表指針相加，映射到頁表中的相關位置；
b. 通過查找該頁號對應的頁表中的各項信息，經過處理（可能從輔存中調入相應的頁到內存中）得到頁框號（塊號）
c. 將所得到的頁框號（塊號）與虛擬地址中的偏移量組合形成，實際的內存地址。

2.2 二級頁式管理

由於內存的限制，頁表的增長受限，然而內存增長較快。爲了採用頁式管理，不得不將較大的頁表分成兩個頁表：根頁表和子頁表，根頁表存入內存，子頁表存入輔存。這樣既減輕了內存的鴨梨，又能使用較爲成熟的管理。具體轉化地址過程：
a. 虛地址=根頁號：子頁內偏移（上圖標識不清）：偏移量，將其中的根頁號與根頁表指針相加，得到子頁號；
b. 將得到的子頁號與虛地址中的子頁內偏移相加，經過一系列處理得到實際的塊號；
c. 將得到的塊號與虛地址中的偏移量組合形成實際地址

2.3 倒排頁表

外存的不斷髮展，是原有的頁表無法適應新的要求。
在倒排頁表中，將虛地址中的頁號通過散列函數，映射到內存中的某一表中，該表將具有相同散列值的頁號形成鏈，如圖所示，第i塊之後與第j塊相連。
具體的轉化過程：
a. 虛地址=頁號：偏移量，將其中的頁號通過散列函數，映射至某一內存塊上。
b. 遍歷具有相同散列值的頁號鏈，尋找當前頁號所對應的塊。
c. 將得到的頁號對應的內存中的位置，與虛地址中的偏移量組合形成實際的地址。

2.4 段式管理

段式管理是程序員自己將程序中具有特定功能的代碼歸爲一個模塊，程序運行時，動態的將當前的模塊裝入內存中，並將各個模塊段記錄在段表中。
具體流程：
a. 虛地址=段號：偏移量，將虛地址中的段號通過段表指針，定位到段表中的具體位置；
b. 經過一系列處理讀出將段表中的某行，得到基址等信息；
c. 將得到的基址與虛地址中的偏移量組合形成實際的內存地址。
由於存在段長等信息可判斷當前虛地址是否違法訪問；由於每個模塊爲一個段，其他程序則可以共享其中的某些模塊，這是頁式管理所不能實現的。

2.5段頁式管理

段頁式管理是結合頁式管理和段式管理兩者的優點。內存利用率較高，模塊化程度高，能提供較好的保護和共享機制等等。
它是將在段式管理的基礎上，將每一段再採用頁式管理的一套使用內存方法。
具體轉化過程：
a. 虛擬內存=段號：頁號：偏移量，將其中的段號取出，通過段表指針，與段表中的相關信息建立聯繫，得到段中的頁表；
b. 將虛地址中的頁號映射到所得頁表中，得到相應的塊號；
c. 所得到的塊號與虛地址中的偏移量組合形成實際的地址。

以上只是簡單的描述了各種管理方式。
對於具體實現依舊有很多細節沒有介紹，比如說：如果虛地址並不能在頁表或段表中找到，怎麼辦？如何使用高速緩衝裝置，進行頁表項的查找等等問題。
最後一篇只是簡單的涉及如何對缺頁中斷的處理，至於深入瞭解或學習其他內容請查看相關書籍（比如：《操作系統精髓與設計原理》）或相關網絡資源。