当前课程知识点：操作系统 > 第八讲 虚拟存储概念 > 8.1 虚拟存储的需求背景 > 8.1 虚拟存储的需求背景
各位同学大家好
今天我们来开始讲第八讲虚拟存储
那么跟虚拟存储相关内容呢我们会分成两讲
一讲呢是虚拟存储的概念
另一讲呢是虚拟存储当中的置换算法
今天呢我们先来讲虚拟存储的概念
在前面呢我们讲过了物理内存的管理
在那个地方呢我们有分区 非连续分区
这两种办法呢是讲我们在物理内存当中
如何去找到一块可以给进程使用的内存空间
那么在今天呢我们来开始讲虚拟存储
虚拟存储和前面讲的非连续内存分配呢
是它的一个延续 非连续内存分配
是说我在内存里找存储空间
让它可以不连续 而虚拟存储呢
是在这个非连续存储内存分配的基础上
可以把一部分内容放到外存里的做法
那这种做法呢可以让我们的应用程序
有更大的空间可以来使用
那具体说起来怎么做呢
那在这里头我们就会讲到
我们为啥会要把数据放到外存里头去
因为在外存里访问呢它是会比内存慢的
这样会带来一系列的问题
那说我们在这里呢这样做之后
可以让你内存的空间更大
那如何来做呢我们这里会有到覆盖 交换
这两个做法呢在前面的介绍我们已经提到过
那更主要的一部分呢
是我们这里说到的虚拟存储
虚拟存储呢又涉及这样几个方面
第一个说我可以把数据放到外存里头
那如果说你的访问是完全随机的
那这时候你放到外存里头之后
你的访问它的性能肯定是要下降的
好 那实际上呢我们在这里呢
程序的执行它有一定的特征
这就是我们这里的局部性原理
有了局部性原理之后呢
相当于我们程序在访问的时候
它要么是指令的顺序执行 要么它是跳转
跳转多数时候呢又是一个循环
跳回到你原来访问过的某一个位置
基于这样一些存储访问的特征呢
我们可以说使用虚拟存储呢
它的性能不至于比原来下降很多
但是我可以得到更大的存储空间
好 然后再说我们如何来做这件事情
这就是我们说到的虚拟存储的概念
然后说我们在页式存储之上
加上把一部分的页放到外存
这就是虚拟页式存储
再有一个就是说我们在这里
由于你把这个数据放到外存里
那么你在指令执行的时候有可能你访问的
某一个数据就在外存里
好 那这个时候就有我们的缺页异常
那缺页异常实际上我们前面讲中断的时候呢
也已经涉及到过一些
它是指令执行过程当中出现的问题
好 那对于缺页来讲它的处理是什么样的
这个是我们这次课里头呢要来介绍的内容
那首先呢我们来看虚拟存储
为什么我们要做这件事情
那做任何一件事情它都是需要有需求推动的
那我们说在这里呢
现在对存储的容量的需求呢是越来越大的
那我们看到这是以电脑游戏为例
在早的时候的电脑游戏呢
通常情况下我存在一张软盘是几十K
几百K的这样一个尺度
那这时候呢我们常见的警察抓小偷之类的
然后到接下来呢我们希望这个游戏更好
这种图象质量更高 好 那这种交互性更强
那这时候我们游戏占的空间就变成几兆
好 在这种情况下
那就跟原来比就是10倍的增加了
好 再往后我们要想更大场面的
你比如说这是足球的互动游戏
那在这里头呢这些人物 它的这个角色增加
并且可以有很强的交互性
每一个动作又有3D的动画之类
这搁在一起之后
我们这个游戏变成几十兆 上百兆了
好 这种情况下 这只是一个例子
说明我们应用程序随着时间推进
它对存储的需要量是
远大于存储容量的发展速度的
那在这里头呢我们说有了这种需求之后
我们对于存储来讲
我们就要从技术上来解决问题
那具体技术解决的办法呢
我们有这样几条要求 第一条是容量
那容量我们希望它越来越大
第二个呢是我们希望速度它越来越快
然后第三个呢 我们希望价格是越来越便宜的
但是这几个目标呢实际上是相互制约的
和计算机内部的其它部分呢相比较而言呢
它是占的成本是不能太高的
基本上在这个发展过程当中这一部分
占的在计算机系统里头成本
是大致相对稳定的一个比例
好 那这是理想的情况
这个理想的情况那我们是做不到的
好 那这时候呢我们就会
在现实当中来做这种折中
好 现实当中折中是什么呢
我们就会把存储放成这样一个层次结构
那最快的是我们CPU里面的寄存器
然后最慢的是我们外部设备里的磁盘和磁带
好 中间 居于中间状态呢就是我们的内存
那这几个呢它们的速度最快的是纳秒级别的
最慢的是秒级别的 中间差100万倍 百万数量级
然后它们的容量呢是几K 几兆 几十兆
到最后呢 现在应该是我们到几个T这种尺度
为什么这个比例我不可以都放这上头来呢
原因在于 增加这些快速的部分的容量
那它的价格就上去了
好 那这时候说我们要想增加它的容量
那我就是底下这几个 成本比较低的
那这时候呢成本比较低的这几个呢
速度又降下来了
所以实际上这时候它组成一个层次结构
让整个系统处于一种均衡的繁忙状态
是我们想达到的最终的合理状态
好 有了这些需求之后
和内部存储介质的多种多样之后
那我们在操作系统里对存储空间的管理呢
就变得比较复杂了
那我们希望管理出来操作系统抽象出来的
进程地址空间呢是一个规范的
布局合理的一个地址空间
而在我们实际系统里头呢
那它的存储介质是多种多样的
那如果说直接让用户来应对
这些存储介质的使用的话
那么这时候你写出来程序
它的通用性就会很受限制
然后它编程的难度也会很高
所以在中间呢我们用操作系统来做这种抽象
这种映射关系由操作系统自动来做
用户见到的空间就是上面的抽象的地址空间
如果是这样一种结局的话
那我们现在这个应用程序开发的环境就非常好了
好 为了做到这一条
那这就是我们在计算机操作系统当中的
存储管理所需要 想达到的目标
好 这种需求呢
我们出现的原因是由于内存不够用
而内存不够用呢也是随着
我们在操作系统里头它多道程序
多进程 多线程 这样一些
并发性提高的情况下所导致的问题
那解决办法呢我们有这样几种
一种呢是覆盖 用户自己来导你的程序
比如说我的代码都放到内存里不够了
那我就会说我把它代码分成若干模块
我们明确它们之间调用关系
好 相互之间不存在调用关系的
那好 那这些呢我就可以
把它附庸到一块区域里头来
但你附庸之后就得要你用户自己
来确定我在什么时候把一个模块加进去
什么时候把另一个模块加进去
这个你的应用开发难度会提高的
第二种是兑换 说我们在这里
用操作系统来干这件事情
但是这时候呢因为我兑换的单位
是一个进程的整个地址空间
那这个时候它的开销是比较大的
但是尽管说开销比较大
在早的时候我不能做到
非连续物理内存分配的时候
这种办法仍然是有效的
好 那这个是一个
而我们今天要说的呢是虚拟存储
那我们和前面的交换这种
自动比较起来又往哪走了一步呢
它仍然是自动的
但是它的空间和容量是会更大 也会更自动
那这是我们想要达到的目标
那有了这个目标之后下面我们就
具体来讨论我们是如何来实现这个目标的
-0.1 Piazza讨论区
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-0.2 在线实验平台
--实验平台使用帮助
--平台使用帮助
-0.2在线实验平台
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-1.1 课程概述
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-第一讲 操作系统概述--练习
-1.2 教学安排
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-1.3 什么是操作系统
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-1.4 为什么学习操作系统，如何学习操作系统
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-1.5 操作系统实例
--视频
-1.6 操作系统的演变
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-1.7 操作系统结构
--视频
-2.1 前言和国内外现状
-2.2 OS实验目标
-2.3 8个OS实验概述
-2.4 实验环境搭建
-2.5 x86-32硬件介绍
-2.6 ucore部分编程技巧
-2.7 演示实验操作过程
--Q6
--Q7
--Q10
-3.1 BIOS
--3.1 BIOS
-3.2 系统启动流程
-3.3 中断、异常和系统调用比较
-第三讲 启动、中断、异常和系统调用--3.3 中断、异常和系统调用比较
-3.4 系统调用
--3.4 系统调用
-第三讲 启动、中断、异常和系统调用--3.4 系统调用
-3.5 系统调用示例
-3.6 ucore+系统调用代码
-4.1 启动顺序
--4.1 启动顺序
-4.2 C函数调用的实现
-4.3 GCC内联汇编
-4.4 x86中断处理过程
-4.5 练习一
--4.5 练习一
-4.6 练习二
--4.6 练习二
-4.7 练习三
--4.7 练习三
-4.8 练习四 练习五
-4.9 练习六
--4.9 练习六
-5.1 计算机体系结构和内存层次
-5.2 地址空间和地址生成
-5.3 连续内存分配
-5.4 碎片整理
--5.4 碎片整理
-5.5 伙伴系统
--5.5 伙伴系统
-第五讲 物理内存管理: 连续内存分配--5.6 练习
-6.1 非连续内存分配的需求背景
-6.2 段式存储管理
-- 6.2 段式存储管理
-6.3 页式存储管理
-6.4 页表概述
--6.4 页表概述
-6.5 快表和多级页表
-6.6 反置页表
--6.6 反置页表
-6.7 段页式存储管理
-第六讲 物理内存管理: 非连续内存分配--6.8 练习
-7.1 了解x86保护模式中的特权级
-第七讲 实验二 物理内存管理--7.1 了解x86保护模式中的特权级
-7.2 了解特权级切换过程
-第七讲 实验二 物理内存管理--7.2 了解特权级切换过程
-7.3 了解段/页表
-第七讲 实验二 物理内存管理--7.3 了解段/页表
-7.4 了解UCORE建立段/页表
-第七讲 实验二 物理内存管理--7.4 了解UCORE建立段/页表
-7.5 演示lab2实验环节
-8.1 虚拟存储的需求背景
-8.2 覆盖和交换
-8.3 局部性原理
-8.4 虚拟存储概念
-8.5 虚拟页式存储
-8.6 缺页异常
--8.6 缺页异常
-9.1 页面置换算法的概念
-9.2 最优算法、先进先出算法和最近最久未使用算法
-第九讲 页面置换算法--9.2 最优算法、先进先出算法和最近最久未使用算法
-9.3 时钟置换算法和最不常用算法
-第九讲 页面置换算法--9.3 时钟置换算法和最不常用算法
-9.4 Belady现象和局部置换算法比较
-第九讲 页面置换算法--9.4 Belady现象和局部置换算法比较
-9.5 工作集置换算法
-第九讲 页面置换算法--9.5 工作集置换算法
-9.6 缺页率置换算法
-第九讲 页面置换算法--9.6 缺页率置换算法
-9.7 抖动和负载控制
-10.1 实验目标：虚存管理
-第十讲 实验三 虚拟内存管理--10.1 实验目标：虚存管理
-10.2 回顾历史和了解当下
-第十讲 实验三 虚拟内存管理--10.2 回顾历史和了解当下
-10.3 处理流程、关键数据结构和功能
-第十讲 实验三 虚拟内存管理--10.3 处理流程、关键数据结构和功能
-10.4 页访问异常
-第十讲 实验三 虚拟内存管理--10.4 页访问异常
-10.5 页换入换出机制
-第十讲 实验三 虚拟内存管理--10.5 页换入换出机制
-11.1 进程的概念
-第十一讲 进程和线程--11.1 进程的概念
-11.2 进程控制块
-第十一讲 进程和线程--11.2 进程控制块
-11.3 进程状态
-第十一讲 进程和线程--11.3 进程状态
-11.4 三状态进程模型
-11.5 挂起进程模型
-第十一讲 进程和线程--11.5 挂起进程模型
-11.6 线程的概念
-第十一讲 进程和线程--11.6 线程的概念
-11.7 用户线程
-第十一讲 进程和线程--11.7 用户线程
-11.8 内核线程
-第十一讲 进程和线程--11.8 内核线程
-12.1 进程切换
-第十二讲 进程控制--12.1 进程切换
-12.2 进程创建
-第十二讲 进程控制--12.2 进程创建
-12.3 进程加载
-第十二讲 进程控制--12.3 进程加载
-12.4 进程等待与退出
-第十二讲 进程控制--12.4 进程等待与退出
-13.1 总体介绍
-13.2 关键数据结构
-13.3 执行流程
-13.4 实际操作
-14.1 总体介绍
-14.2 进程的内存布局
-14.3 执行ELF格式的二进制代码-do_execve的实现
--14.3 执行ELF格式的二进制代码-do_execve的实现
-14.4 执行ELF格式的二进制代码-load_icode的实现
--14.4 执行ELF格式的二进制代码-load_icode的实现
-14.5 进程复制
-14.6 内存管理的copy-on-write机制
-15.1 处理机调度概念
-第十五讲 处理机调度--15.1 处理机调度概念
-15.2 调度准则
-15.3 先来先服务、短进程优先和最高响应比优先调度算法
--15.3 先来先服务、短进程优先和最高响应比优先调度算法
-第十五讲 处理机调度--15.3 先来先服务、短进程优先和最高响应比优先调度算法
-15.4 时间片轮转、多级反馈队列、公平共享调度算法和ucore调度框架
--15.4 时间片轮转、多级反馈队列、公平共享调度算法和ucore调度框架
-第十五讲 处理机调度--15.4 时间片轮转、多级反馈队列、公平共享调度算法和uc
-15.5 实时调度和多处理器调度
-第十五讲 处理机调度--15.5 实时调度和多处理器调度
-15.6 优先级反置
-第十五讲 处理机调度--15.6 优先级反置
-16.1 总体介绍和调度过程
-16.2 调度算法支撑框架
-16.3 时间片轮转调度算法
-16.4 Stride调度算法
-17.1 背景
--17.1 背景
-17.2 现实生活中的同步问题
-第十七讲 同步互斥--17.2 现实生活中的同步问题
-17.3 临界区和禁用硬件中断同步方法
-第十七讲 同步互斥--17.3 临界区和禁用硬件中断同步方法
-17.4 基于软件的同步方法
-第十七讲 同步互斥--17.4 基于软件的同步方法
-17.5 高级抽象的同步方法
-第十七讲 同步互斥--17.5 高级抽象的同步方法
-18.1 信号量
--18.1 信号量
-第十八讲 信号量与管程--18.1 信号量
-18.2 信号量使用
-第十八讲 信号量与管程--18.2 信号量使用
-18.3 管程
--18.3 管程
-第十八讲 信号量与管程--18.3 管程
-18.4 哲学家就餐问题
-18.5 读者-写者问题
-19.1 总体介绍
-19.2 底层支撑
-第十九讲 实验七 同步互斥--19.2 底层支撑
-19.3 信号量设计实现
-第十九讲 实验七 同步互斥--19.3 信号量设计实现
-19.4 管程和条件变量设计实现
-第十九讲 实验七 同步互斥--19.4 管程和条件变量设计实现
-19.5 哲学家就餐问题
-20.1 死锁概念
-第二十讲 死锁和进程通信--20.1 死锁概念
-20.2 死锁处理方法
-第二十讲 死锁和进程通信--20.2 死锁处理方法
-20.3 银行家算法
-第二十讲 死锁和进程通信--20.3 银行家算法
-20.4 死锁检测
-第二十讲 死锁和进程通信--20.4 死锁检测
-20.5 进程通信概念
-第二十讲 死锁和进程通信--20.5 进程通信概念
-20.6 信号和管道
-第二十讲 死锁和进程通信--20.6 信号和管道
-20.7 消息队列和共享内存
-第二十讲 死锁和进程通信--20.7 消息队列和共享内存
-21.1 文件系统和文件
-第二十一讲 文件系统--21.1 文件系统和文件
-21.2 文件描述符
-第二十一讲 文件系统--21.2 文件描述符
-21.3 目录、文件别名和文件系统种类
-第二十一讲 文件系统--21.3 目录、文件别名和文件系统种类
-21.4 虚拟文件系统
-第二十一讲 文件系统--21.4 虚拟文件系统
-21.5 文件缓存和打开文件
-第二十一讲 文件系统--21.5 文件缓存和打开文件
-21.6 文件分配
-第二十一讲 文件系统--21.6 文件分配
-21.7 空闲空间管理和冗余磁盘阵列RAID
-第二十一讲 文件系统--21.7 空闲空间管理和冗余磁盘阵列RAID
-22.1 总体介绍
-第二十二讲 实验八 文件系统--22.1 总体介绍
-22.2 ucore 文件系统架构
-第二十二讲 实验八 文件系统--22.2 ucore 文件系统架构
-22.3 Simple File System分析
-第二十二讲 实验八 文件系统--22.3 Simple File System分析
-22.4 Virtual File System分析
-第二十二讲 实验八 文件系统--22.4 Virtual File System分
-22.5 I/O设备接口分析
-第二十二讲 实验八 文件系统--22.5 I/O设备接口分析
-22.6 执行流程分析
-23.1 I/O特点
--视频
-第二十三讲 I/O子系统--23.1 I/O特点
-23.2 I/O结构
--816C80A0F5E3B8809C33DC5901307461
-第二十三讲 I/O子系统--23.2 I/O结构
-23.3 I/O数据传输
--C58221E14388B9DB9C33DC5901307461
-第二十三讲 I/O子系统--23.3 I/O数据传输
-23.4 磁盘调度
--567A3F1FCBFB3F4C9C33DC5901307461
-第二十三讲 I/O子系统--23.4 磁盘调度
-23.5 磁盘缓存
--C327536B80D25CE79C33DC5901307461
-第二十三讲 I/O子系统--23.5 磁盘缓存
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