淺析計(jì)算機(jī)虛擬化儲(chǔ)存管理

吳昊野

摘 要 DRAM是計(jì)算機(jī)主存主要的構(gòu)成。主存的儲(chǔ)存容量受到限制，主要是由于技術(shù)和成本等原因。還因?yàn)楦鞣N不同的計(jì)算機(jī)配置的物理內(nèi)容內(nèi)存容量也不相同。而程序設(shè)計(jì)時(shí)，人們顯然也不希望受到特定計(jì)算機(jī)的物理內(nèi)存大小的限制。 所以解決這兩個(gè)之間的矛盾需要解決一個(gè)重要的問題。還有很多系統(tǒng)都支持多道程序的運(yùn)行。怎樣讓多個(gè)程序有效率而安全地共享主程序需要解決的另一個(gè)問題。而為了解決這兩個(gè)問題。在計(jì)算機(jī)中采用了虛擬儲(chǔ)存技術(shù)，程序員在一個(gè)不受物理內(nèi)存空間限制，并且比物理內(nèi)存空間大的還要多的虛擬的邏輯地址空間中編寫程序，就好像每個(gè)程序都獨(dú)立擁有一個(gè)巨大的儲(chǔ)存空間一樣。在執(zhí)行的過程中，把當(dāng)前正在執(zhí)行的，一部分程序和相應(yīng)的數(shù)據(jù)調(diào)入主存，其他暫時(shí)不用的部分就暫時(shí)放到磁盤上。而這種借用外存為程序提供的很大的虛擬存儲(chǔ)空間稱為虛擬存儲(chǔ)器。

關(guān)鍵詞 虛擬化 存儲(chǔ)管理 主存

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1指令執(zhí)行

指令中的邏輯地址通過硬件將轉(zhuǎn)化為主存的物理地址。在轉(zhuǎn)換地址過程中，要檢查是否發(fā)生訪問信息缺失，地址越界或訪問越權(quán)，若發(fā)生信息缺失，則由操作系統(tǒng)進(jìn)行貯存和磁盤之間的信息交換。如果發(fā)生了地質(zhì)越界或訪問越權(quán)則由操作系統(tǒng)進(jìn)行存儲(chǔ)訪問的異常處理。由此看來，虛擬存儲(chǔ)技術(shù)既解決了編程空間受限制的問題，也解決了多道程序共享主程帶來的安全等各種問題。虛擬存儲(chǔ)器機(jī)制，由硬件與操作系統(tǒng)共同協(xié)作實(shí)現(xiàn)，涉及到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)許多層面。包括操作系統(tǒng)中的許概念。比如進(jìn)程，進(jìn)程的上下文切換，虛擬地址空間，缺頁處理，存儲(chǔ)器管理等。

2存儲(chǔ)器管理

在很多道程序的系統(tǒng)中，主存儲(chǔ)器的用戶，區(qū)域需進(jìn)一步劃分給多個(gè)進(jìn)程。劃分的任務(wù)由os動(dòng)態(tài)執(zhí)行，這被稱為存儲(chǔ)器管理。

在早期的時(shí)候，計(jì)算機(jī)采用單道程序執(zhí)行方式，系統(tǒng)的組成僅僅只包括操作系統(tǒng)和正在執(zhí)行的一個(gè)用戶程序，所以無需進(jìn)行存儲(chǔ)器管理，即使有也非常簡單容易操作。在現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)中，多數(shù)采用多道程序執(zhí)行方式，系統(tǒng)的主存中包含，有操作系統(tǒng)和若干用戶程序。如果主存中凈承受很少則當(dāng)所有進(jìn)程都需要等待I/Q時(shí)，處理器就處在空閑狀態(tài)。所以，對(duì)主權(quán)存和利益合理分配，盡可能讓更多的進(jìn)程進(jìn)入主存，可以很方便最大限度地利用處理器資源。然而，分區(qū)和分頁是交換技術(shù)的的兩種執(zhí)行方式。

2.1分區(qū)方式

系統(tǒng)區(qū)固定在一個(gè)地址范圍內(nèi)，存放操作系統(tǒng)，用戶區(qū)域用于存放所有用戶程序，這是分區(qū)方式的兩大區(qū)域。用戶區(qū)域的分配由簡單固定分區(qū)和可變長分區(qū)的兩種方式。固定分區(qū)的基本思想為，是用長度不等的固定場分區(qū)，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程調(diào)入貯存時(shí)，分配一個(gè)能容納它的最小分區(qū)給他。多數(shù)情況下進(jìn)程對(duì)分區(qū)大小的需求不會(huì)和提供的分區(qū)一樣大小所以采用固定長度，分區(qū)會(huì)大大浪費(fèi)儲(chǔ)存空間。

比簡單固定分區(qū)更有效的方式是動(dòng)態(tài)可變長分區(qū)，分配的，分區(qū)大小與進(jìn)程所需大小是一樣的。貯存除了操作系統(tǒng)占據(jù)的，空間除外，其余空間，把3個(gè)進(jìn)程調(diào)入組成，假定從操作系統(tǒng)末端開始裝入，結(jié)果在存儲(chǔ)器末端留下一個(gè)很小的空缺，因?yàn)樗苄〔荒苎b入下一個(gè)進(jìn)程。，所以將進(jìn)程交換，可以讓空間足夠分配給下一其他進(jìn)程。

2.2分頁方式

分頁方式的基本思想是，把主存分成固定長期也比較小的存儲(chǔ)塊稱為頁框，每個(gè)進(jìn)程也被劃分成固定長的程序快成為夜，程序塊被裝到可用的存儲(chǔ)塊中，并且無需用連續(xù)頁框來存放一個(gè)進(jìn)程。如果內(nèi)存頁框的過程中，對(duì)程序員是透明的，因?yàn)槌绦騿T不需要知道程序運(yùn)行時(shí)，具體會(huì)裝到哪個(gè)頁框，因而程序已給出的指令和數(shù)據(jù)的地址，不是真正的貯存物理地址。程序員是在一個(gè)虛擬的邏輯地址空間中編寫程序，經(jīng)常把程序中所用的地址稱為虛擬地址或邏輯地址，而真正訪問的主存地址，被稱為物理地址。在現(xiàn)代操作系統(tǒng)中，采用了“請求分頁”的分頁式虛擬存儲(chǔ)管理方式，所謂請求分頁，就是指將當(dāng)前需要的頁面裝入主存頁框中，而不需要的頁面則存放在外存中，這是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)常用的虛擬存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)管理的基本思想。

3虛擬儲(chǔ)蓄器的實(shí)現(xiàn)

要實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)器機(jī)制。也必須考慮交換塊的大小問題，映射問題、寫一致性問題等等?？紤]到缺頁代價(jià)的巨大和磁盤，訪問第一個(gè)數(shù)據(jù)的開銷，通常將主存和磁盤之間的，交換頁面設(shè)定得比較大，比在cache和主存之間交換的主權(quán)塊大得多，典型的有4kb和8kb等。 在虛擬存儲(chǔ)器機(jī)制中采用全相聯(lián)映射。每個(gè)虛擬也可以存放到存放到的任何一個(gè)空閑位置，因此，虛擬存儲(chǔ)器機(jī)制必須要有一種方法來確定，每個(gè)進(jìn)程的各個(gè)頁面所存放的對(duì)應(yīng)主存位置或磁盤位置，根據(jù)對(duì)此問題解決方法的不同。

4總結(jié)

計(jì)算機(jī)技術(shù)得到了越來越廣泛的發(fā)展，計(jì)算機(jī)軟件的數(shù)據(jù)接口技術(shù)能夠使得不同的計(jì)算機(jī)軟件得到很好地鏈接，從而使得用戶的工作變得更加的整體化，因此對(duì)于計(jì)算機(jī)軟件的數(shù)據(jù)接口進(jìn)行研究有著重要的意義。本文首先對(duì)于計(jì)算機(jī)軟件數(shù)據(jù)接口的現(xiàn)狀進(jìn)行了簡單的分析，然后對(duì)于對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中需要注意的問題進(jìn)行了說明，最后對(duì)于計(jì)算機(jī)軟件的數(shù)據(jù)接口的應(yīng)用進(jìn)行了分析，希望能夠促進(jìn)計(jì)算機(jī)科技的發(fā)展。

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