簡介
一種電腦系統記憶體的管理技術。透過分隔成多個實體記憶體碎片，以及暫時儲存于外部磁碟記憶體的方式，讓應用程序能擁有連續可用的記憶體空間，可使大型程序的編寫變得較為容易，也可提高實體記憶體（如RAM） 的使用效率。也作「虛拟内存」。部分詞典也譯作「虛拟記憶體」。
工作原理
虛拟存儲器是由硬件和操作系統自動實現存儲信息調度和管理的。它的工作過程包括6個步驟：
①中央處理器訪問主存的邏輯地址分解成組号a和組内地址b，并對組号a進行地址變換，即将邏輯組号a作為索引，查地址變換表，以确定該組信息是否存放在主存内。
②如該組号已在主存内，則轉而執行④；如果該組号不在主存内，則檢查主存中是否有空閑區，如果沒有，便将某個暫時不用的組調出送往輔存，以便将這組信息調入主存。
③從輔存讀出所要的組，并送到主存空閑區，然後将那個空閑的物理組号a和邏輯組号a登錄在地址變換表中。
④從地址變換表讀出與邏輯組号a對應的物理組号a。
⑤從物理組号a和組内字節地址b得到物理地址。
⑥根據物理地址從主存中存取必要的信息。
調度方式有分頁式、段式、段頁式3種。頁式調度是将邏輯和物理地址空間都分成固定大小的頁。主存按頁順序編号，而每個獨立編址的程序空間有自己的頁号順序，通過調度輔存中程序的各頁可以離散裝入主存中不同的頁面位置，并可據表一一對應檢索。
頁式調度的優點是頁内零頭小，頁表對程序員來說是透明的，地址變換快，調入操作簡單；缺點是各頁不是程序的獨立模塊，不便于實現程序和數據的保護。段式調度是按程序的邏輯結構劃分地址空間，段的長度是随意的，并且允許伸長，它的優點是消除了内存零頭，易于實現存儲保護，便于程序動态裝配；缺點是調入操作複雜。将這兩種方法結合起來便構成段頁式調度。在段頁式調度中把物理空間分成頁，程序按模塊分段，每個段再分成與物理空間頁同樣小的頁面。段頁式調度綜合了段式和頁式的優點。其缺點是增加了硬件成本，軟件也較複雜。大型通用計算機系統多數采用段頁式調度。
虛實地址
1、實地址與虛地址
用戶編制程序時使用的地址稱為虛地址或邏輯地址，其對應的存儲空間稱為虛存空間或邏輯地址空間；而計算機物理内存的訪問地址則稱為實地址或物理地址，其對應的存儲空間稱為物理存儲空間或主存空間。程序進行虛地址到實地址轉換的過程稱為程序的再定位。
2、虛存的訪問過程
虛存空間的用戶程序按照虛地址編程并存放在輔存中。程序運行時，由地址變換機構依據當時分配給該程序的實地址空間把程序的一部分調入實存。每次訪存時，首先判斷該虛地址所對應的部分是否在實存中：如果是，則進行地址轉換并用實地址訪問主存；否則，按照某種算法将輔存中的部分程序調度進内存，再按同樣的方法訪問主存。由此可見，每個程序的虛地址空間可以遠大于實地址空間，也可以遠小于實地址空間。前一種情況以提高存儲容量為目的，後一種情況則以地址變換為目的。後者通常出現在多用戶或多任務系統中：實存空間較大，而單個任務并不需要很大的地址空間，較小的虛存空間則可以縮短指令中地址字段的長度。
異構體系
從虛存的概念可以看出，主存-輔存的訪問機制與cache-主存的訪問機制是類似的。這是由cache存儲器、主存和輔存構成的三級存儲體系中的兩個層次。cache和主存之間以及主存和輔存之間分别有輔助硬件和輔助軟硬件負責地址變換與管理，以便各級存儲器能夠組成有機的三級存儲體系。cache和主存構成了系統的内存，而主存和輔存依靠輔助軟硬件的支持構成了虛拟存儲器。
在三級存儲體系中，cache-主存和主存-輔存這兩個存儲層次有許多相同點：
(1)出發點相同：二者都是為了提高存儲系統的性能價格比而構造的分層存儲體系，都力圖使存儲系統的性能接近高速存儲器，而價格和容量接近低速存儲器。
(2)原理相同：都是利用了程序運行時的局部性原理把最近常用的信息塊從相對慢速而大容量的存儲器調入相對高速而小容量的存儲器。
但cache-主存和主存-輔存這兩個存儲層次也有許多不同之處：
(1)側重點不同：cache主要解決主存與CPU的速度差異問題；而就性能價格比的提高而言，虛存主要是解決存儲容量問題，另外還包括存儲管理、主存分配和存儲保護等方面。
(2)數據通路不同：CPU與cache和主存之間均有直接訪問通路，cache不命中時可直接訪問主存；而虛存所依賴的輔存與CPU之間不存在直接的數據通路，當主存不命中時隻能通過調頁解決，CPU最終還是要訪問主存。
(3)透明性不同：cache的管理完全由硬件完成，對系統程序員和應用程序員均透明；而虛存管理由軟件（操作系統）和硬件共同完成，由于軟件的介入，虛存對實現存儲管理的系統程序員不透明，而隻對應用程序員透明（段式和段頁式管理對應用程序員“半透明”）。
(4)未命中時的損失不同：由于主存的存取時間是cache的存取時間的5～10倍，而主存的存取速度通常比輔存的存取速度快上千倍，故主存未命中時系統的性能損失要遠大于cache未命中時的損失。
虛存機制要解決的關鍵問題
(1)調度問題：決定哪些程序和數據應被調入主存。
(2)地址映射問題：在訪問主存時把虛地址變為主存物理地址（這一過程稱為内地址變換）；在訪問輔存時把虛地址變成輔存的物理地址（這一過程稱為外地址變換），以便換頁。此外還要解決主存分配、存儲保護與程序再定位等問題。
(3)替換問題：決定哪些程序和數據應被調出主存。
(4)更新問題：确保主存與輔存的一緻性。
在操作系統的控制下，硬件和系統軟件為用戶解決了上述問題，從而使應用程序的編程大大簡化。
頁式調度
1、頁式虛存地址映射
頁式虛拟存儲系統中，虛地址空間被分成等長大小的頁，稱為邏輯頁；主存空間也被分成同樣大小的頁，稱為物理頁。相應地，虛地址分為兩個字段：高字段為邏輯頁号，低字段為頁内地址（偏移量）；實存地址也分兩個字段：高字段為物理頁号，低字段為頁内地址。通過頁表可以把虛地址（邏輯地址）轉換成物理地址。
在大多數系統中，每個進程對應一個頁表。頁表中對應每一個虛存頁面有一個表項，表項的内容包含該虛存頁面所在的主存頁面的地址（物理頁号），以及指示該邏輯頁是否已調入主存的有效位。地址變換時，用邏輯頁号作為頁表内的偏移地址索引頁表（将虛頁号看作頁表數組下标）并找到相應物理頁号，用物理頁号作為實存地址的高字段，再與虛地址的頁内偏移量拼接，就構成完整的物理地址。現代的中央處理機通常有專門的硬件支持地址變換。
2、轉換後援緩沖器
由于頁表通常在主存中，因而即使邏輯頁已經在主存中，也至少要訪問兩次物理存儲器才能實現一次訪存，這将使虛拟存儲器的存取時間加倍。為了避免對主存訪問次數的增多，可以對頁表本身實行二級緩存，把頁表中的最活躍的部分存放在高速存儲器中，組成快表。這個專用于頁表緩存的高速存儲部件通常稱為轉換後援緩沖器(TLB)。保存在主存中的完整頁表則稱為慢表。
3、内頁表和外頁表
頁表是虛地址到主存物理地址的變換表，通常稱為内頁表。與内頁表對應的還有外頁表，用于虛地址與輔存地址之間的變換。當主存缺頁時，調頁操作首先要定位輔存，而外頁表的結構與輔存的尋址機制密切相關。例如對磁盤而言，輔存地址包括磁盤機号、磁頭号、磁道号和扇區号等。
段式調度
段是按照程序的自然分界劃分的長度可以動态改變的區域。通常，程序員把子程序、操作數和常數等不同類型的數據劃分到不同的段中，并且每個程序可以有多個相同類型的段。在段式虛拟存儲系統中，虛地址由段号和段内地址（偏移量）組成。虛地址到實主存地址的變換通過段表實現。每個程序設置一個段表，段表的每一個表項對應一個段。每個表項至少包含下面三個字段：
(1)有效位：指明該段是否已經調入實存。
(2)段起址：指明在該段已經調入實存的情況下，該段在實存中的首地址。
(3)段長：記錄該段的實際長度。設置段長字段的目的是為了保證訪問某段的地址空間時，段内地址不會超出該段長度導緻地址越界而破壞其他段。
段表本身也是一個段，可以存在輔存中，但一般駐留在主存中。
段式虛拟存儲器有許多優點：
①段的邏輯獨立性使其易于編譯、管理、修改和保護，也便于多道程序共享。
②段長可以根據需要動态改變，允許自由調度，以便有效利用主存空間。
段式虛拟存儲器也有一些缺點：
①因為段的長度不固定，主存空間分配比較麻煩。
②容易在段間留下許多外碎片，造成存儲空間利用率降低。
③由于段長不一定是2的整數次幂，因而不能簡單地像分頁方式那樣用虛地址和實地址的最低若幹二進制位作為段内偏移量，并與段号進行直接拼接，必須用加法操作通過段起址與段内偏移量的求和運算求得物理地址。因此，段式存儲管理比頁式存儲管理方式需要更多的硬件支持。
段頁式調度
段頁式虛拟存儲器是段式虛拟存儲器和頁式虛拟存儲器的結合。實存被等分成頁。每個程序則先按邏輯結構分段，每段再按照實存的頁大小分頁，程序按頁進行調入和調出操作，但可按段進行編程、保護和共享。它把程序按邏輯單位分段以後，再把每段分成固定大小的頁。程序對主存的調入調出是按頁面進行的，但它又可以按段實現共享和保護，兼備頁式和段式的優點。缺點是在映象過程中需要多次查表。在段頁式虛拟存儲系統中，每道程序是通過一個段表和一組頁表來進行定位的。段表中的每個表目對應一個段，每個表目有一個指向該段的頁表起始地址及該段的控制保護信息。由頁表指明該段各頁在主存中的位置以及是否已裝入、已修改等狀态信息。如果有多個用戶在機器上運行，多道程序的每一道需要一個基号,由它指明該道程序的段表起始地址。
變換算法
虛拟存儲器地址變換基本上有3種形虛拟存儲器工作過程式：全聯想變換、直接變換和組聯想變換。任何邏輯空間頁面能夠變換到物理空間任何頁面位置的方式稱為全聯想變換。每個邏輯空間頁面隻能變換到物理空間一個特定頁面的方式稱為直接變換。組聯想變換是指各組之間是直接變換，而組内各頁間則是全聯想變換。替換規則用來确定替換主存中哪一部分，以便騰空部分主存，存放來自輔存要調入的那部分内容。常見的替換算法有4種。
①随機算法：用軟件或硬件随機數産生器确定替換的頁面。
②先進先出：先調入主存的頁面先替換。
③近期最少使用算法：替換最長時間不用的頁面。
④最優算法：替換最長時間以後才使用的頁面。這是理想化的算法，隻能作為衡量其他各種算法優劣的标準。
虛拟存儲器的效率是系統性能評價的重要内容，它與主存容量、頁面大小、命中率，程序局部性和替換算法等因素有關。
