空分复用技术详解#

2.1 时分复用示意#

假设只有一个 CPU，进程 A、B、C 轮流使用它：

1
时间 ──────────────────────────────────────>
2
CPU   │ A │ B │ C │ A │ B │ C │ A │ ……

任意一个时刻，CPU 通常只执行其中一个进程；但切换速度很快，宏观上看，多个进程似乎都在同时运行。

2.2 空分复用示意#

假设物理内存被划分为若干区域：

1
物理内存
2
┌──────────────┐
3
│ 操作系统     │
4
├──────────────┤
5
│ 进程 A 的页面│
6
├──────────────┤
7
│ 进程 B 的页面│
8
├──────────────┤
9
│ 进程 C 的页面│
10
├──────────────┤
11
│ 空闲区域     │
12
└──────────────┘

进程 A、B、C 的内容可以同时存在于物理内存的不同空间区域中，这体现了空分复用思想。

3.1 虚拟页与物理页框#

在分页存储管理中：

• 进程的虚拟地址空间被划分成大小相等的页；
• 物理内存被划分成大小相等的页框；
• 操作系统通过页表，将虚拟页映射到物理页框；
• 不同进程可以使用物理内存中的不同页框；
• 同一进程的页面不必连续存放在物理内存中。

例如，进程 A 的虚拟页面可能按照下面的方式进行映射：

从进程 A 的角度看，自己的虚拟页是连续编号的；但在物理内存中，这些页面可以离散地分布在页框 1、6、3 等位置。

这种把虚拟空间映射到不同物理空间区域的机制，就是空分复用思想的体现。

3.2 地址转换#

CPU 发出的通常是虚拟地址。虚拟地址经过地址转换后，才能得到真正访问物理内存所需的物理地址。

1
flowchart TD
2
    A[进程产生虚拟地址] --> B[将地址分为虚拟页号和页内偏移量]
3
    B --> C[查询 TLB 或页表]
4
    C --> D{页面是否在物理内存中}
5
    D -->|是| E[得到物理页框号]
6
    E --> F[页框号与页内偏移量组成物理地址]
7
    F --> G[访问物理内存]
8
    D -->|否| H[发生缺页异常]
9
    H --> I[操作系统从外存调入页面]
10
    I --> J[必要时置换其他页面]
11
    J --> K[更新页表或 TLB]
12
    K --> C

虚拟地址通常可以表示为：

1
虚拟地址 = 虚拟页号 + 页内偏移量

页表负责把虚拟页号转换为物理页框号：

1
虚拟页号 ──查询页表──> 物理页框号

页内偏移量在转换前后通常保持不变，因此：

1
物理地址 = 物理页框号 + 页内偏移量

3.3 页面不在内存中时#

如果进程访问的页面当前不在物理内存中，会发生缺页异常，也常称为缺页中断。处理过程如下：

1. 进程访问某个虚拟地址。
2. CPU 查询页表，发现该页面不在物理内存中。
3. CPU 产生缺页异常，转入操作系统处理。
4. 操作系统找到一个空闲页框。
5. 操作系统把所需页面从外存调入该页框。
6. 如果没有空闲页框，则通过页面置换算法选择一个页面换出。
7. 操作系统更新页表和相关状态信息。
8. 重新执行刚才因缺页而未完成的指令。

虽然请求调页包含“先换出、后换入”的时间过程，但从虚拟技术的分类来看，虚拟存储器仍然归入空分复用技术，因为它的核心是对存储空间进行划分、组织和地址映射。

6.1 与并发的关系#

多个进程并发运行时，需要同时把多个进程的代码和数据放入内存。操作系统必须合理划分和分配内存空间，才能支持多道程序并发执行。

6.2 与共享的关系#

多个进程共同使用同一套物理内存，体现了资源共享；不同进程通常被分配到不同的页框或内存区域，体现了空分复用。

6.3 与虚拟的关系#

操作系统通过空间划分和地址映射，让每个进程都感觉自己拥有独立的地址空间。用户看到的逻辑资源与实际物理资源不同，因此形成了虚拟效果。

可以概括为：

1
并发运行产生资源需求
2
          ↓
3
多个进程共享物理存储资源
4
          ↓
5
操作系统按空间划分、分配并映射资源
6
          ↓
7
每个进程获得独立的逻辑地址空间
8
          ↓
9
形成虚拟存储器

7.1 “空分”不是“把空闲部分分出去”#

“空分”的“空”主要指空间。操作系统确实会优先使用空闲页框，但寻找空闲页框只是具体操作之一，并不是空分复用的完整含义。

即使没有空闲页框，操作系统也可以通过页面置换，先换出某个页面，再调入当前需要的页面。

7.2 “空间复用”不是考试中的规范术语#

“空间复用”从字面上能够表达大致含义，但操作系统教材和考试中通常使用的规范术语是：

空分复用技术

答题时应写“空分复用”，不要写成“空间复用”。

7.3 空分复用不等于虚拟存储器#

两者的关系是：

空分复用是一种实现虚拟化的思想或技术，虚拟存储器是它的典型应用。

空分复用还可以应用于虚拟磁盘、磁盘分区、逻辑卷等场景。

7.4 简单划分内存不一定构成虚拟存储器#

把内存划分为多个区域，每个区域存放一个程序，已经体现了空分复用思想，但不一定构成完整的虚拟存储器。

现代虚拟存储器通常还需要：

• 地址转换；
• 页表或段表；
• 请求调页或请求调段；
• 缺页处理；
• 页面置换；
• 内存保护；
• 外存作为后备存储。

7.5 虚拟存储器不会真正增加物理内存#

虚拟存储器增加的是进程可见的逻辑地址空间。页面仍然需要存放在物理内存或外存中，物理硬件容量并没有凭空增加。

7.6 空分复用不要求平均划分#

物理空间不必平均分配。操作系统可以使用：

• 固定分区；
• 动态分区；
• 分页；
• 分段；
• 段页式管理；
• 磁盘分区；
• 逻辑卷。

关键是按照空间对资源进行组织和分配，而不是必须把资源平均分成几份。

7.7 空分复用不强调物理访问是否真正同时发生#

空分复用强调的是：不同程序的内容可以同时存在于资源的不同空间区域中。

至于多个程序能否在物理意义上同时访问内存，还取决于 CPU 核心数、内存控制器、内存通道、缓存结构和总线仲裁机制。这不是“空分复用”概念本身所要判断的重点。

8.1 解释空分复用技术#

空分复用技术是指从空间上对一个物理资源进行划分，使其不同空间区域能够分别供多个程序或用户使用，从而把一个物理实体虚拟成多个逻辑上的对应物。虚拟存储器和虚拟磁盘是空分复用技术的典型应用。

8.2 解释虚拟存储器为什么属于空分复用#

操作系统把物理内存划分为多个页框，并通过页表将各进程的虚拟页面映射到不同的物理页框，使多个进程能够占用物理内存的不同空间区域，并分别获得独立的逻辑地址空间，因此虚拟存储器体现了空分复用技术。

8.3 比较时分复用与空分复用#

时分复用按照时间分配物理资源，使多个任务轮流使用同一资源，虚拟处理器是其典型应用；空分复用按照空间划分和映射物理资源，使多个任务使用资源的不同空间区域，虚拟存储器是其典型应用。