虚拟存储是一种计算机存储管理技术，通过将物理内存与外部存储结合，为进程提供一个比实际物理内存大得多的逻辑地址空间，从而突破物理内存容量的限制。其核心思想是通过硬件和操作系统的协作，实现内存的抽象、扩展和高效利用，跟着小编一起详细了解下关于虚拟存储。
一、虚拟存储的工作原理
1.地址空间划分
虚拟地址空间被划分为固定大小的页(通常为4KB)，物理内存被划分为页框(Page Frame)。
进程通过虚拟地址访问内存，操作系统通过页表(Page Table)将虚拟地址映射到物理地址。
2.页表映射与地址转换
页表记录了虚拟页号到物理页框号的映射关系。
内存管理单元(MMU)在访问内存时，根据页表将虚拟地址转换为物理地址。
为了加速地址转换，现代系统通常使用TLB(Translation Lookaside Buffer)缓存常用的页表项。
3.缺页处理(Page Fault)
当进程访问的页面不在物理内存中时，触发缺页中断。
操作系统从外部存储(如硬盘)中将所需页面调入物理内存，并更新页表。
如果物理内存已满，操作系统会选择一个牺牲页面(通常使用LRU、FIFO等算法)将其换出到外部存储。
4.页面置换算法
LRU(Least Recently Used)：置换最近最少使用的页面。
FIFO(First-In-First-Out)：置换最早进入内存的页面。
Clock算法：一种近似LRU的算法，通过遍历页面链表选择置换页面。
5.局部性原理
程序在执行过程中表现出时间局部性(最近访问的页面可能再次被访问)和空间局部性(访问的页面附近的页面可能被访问)。
虚拟存储系统利用局部性原理，通过按需调页和页面置换，保证高频访问的数据驻留在物理内存中，从而提高系统性能。
二、虚拟存储的优势
1.内存扩展
进程可以访问比物理内存大得多的逻辑地址空间，支持大型应用程序的运行。
2.进程隔离与保护
每个进程拥有独立的虚拟地址空间，防止进程间相互干扰，提高了系统的安全性。
3.简化内存管理
操作系统可以动态分配和释放内存，无需程序员手动管理内存。
通过页面置换算法，操作系统可以高效利用物理内存。
4.支持多任务处理
虚拟存储允许多个进程同时运行，操作系统通过页面调度和置换，为每个进程分配必要的物理内存。
5.提高数据访问效率
通过内存映射文件(Memory-Mapped Files)，文件可以直接映射到虚拟地址空间，减少I/O操作，提高数据访问速度。
三、虚拟存储的实现方式
1.分页存储管理
将虚拟地址空间和物理内存划分为固定大小的页和页框。
通过页表实现虚拟地址到物理地址的映射。
2.分段存储管理
将虚拟地址空间划分为逻辑段(如代码段、数据段、堆栈段)。
通过段表实现段基址到物理地址的映射。
3.段页式存储管理
结合分段和分页的优点，先将虚拟地址空间划分为段，再将段划分为页。
通过段表和页表实现地址映射。
四、虚拟存储的应用场景
操作系统内存管理
现代操作系统(如Windows、Linux、macOS)都广泛使用虚拟存储技术。
虚拟化技术
虚拟化技术(如VMware、KVM)通过虚拟存储为虚拟机提供独立的内存空间。
数据库系统
数据库系统利用虚拟存储进行大规模数据缓存和事务管理，提高数据访问速度。
云计算与分布式系统
云计算平台通过虚拟存储技术实现资源的动态分配和高效利用。
虚拟存储是一种通过软硬件协同实现内存扩展的技术，其核心是将物理内存与外部存储结合，为进程提供比实际物理内存更大的逻辑地址空间。进程通过虚拟地址访问数据，操作系统通过页表将虚拟地址映射到物理内存，并在缺页时动态调入数据。
