在虚拟存储器（Virtual Memory）的设计与运行中，性能的高低主要通过有效访问时间（Effective Access Time, EAT）来衡量。由于物理内存与磁盘（辅存）之间的访问速度存在数量级上的差异，任何微小的缺页率变动都会对系统性能产生巨大影响。
以下是影响虚拟存储器性能的几个关键因素：
1. 缺页率（Page Fault Rate, p）
这是最核心的因素。有效访问时间的计算公式通常表示为：
EAT = (1 – p) \times \text{内存访问时间} + p \times \text{缺页处理时间}
- 内存访问时间： 通常在纳秒（ns）级别。
- 缺页处理时间： 涉及磁盘 I/O，通常在毫秒（ms）级别（约 10^6 ns）。
- 结论： 即使缺页率 p 只有 0.1%，有效访问时间也可能比正常的内存访问慢上百倍。因此，减少缺页次数是提升性能的首要任务。
2. 磁盘 I/O 速度
当发生缺页中断时，操作系统必须从磁盘读取页面。磁盘的寻道时间、旋转延迟和数据传输率直接决定了“缺页处理时间”的长短。
- 使用 SSD（固态硬盘） 或 NVMe 代替机械硬盘（HDD）能显著缩短缺页处理时间，从而提升虚拟存储器的整体性能。
3. 页面置换算法（Page Replacement Algorithm）
置换算法决定了当内存满时，哪一个页面被换出。
- 理想状态： 换出未来最长时间不被使用的页面（OPT 算法）。
- 现实策略： 像 LRU（最近最少使用） 这种较好利用局部性原理的算法，其缺页率通常远低于 FIFO（先进先出） 算法。算法的效率直接影响了 p 的值。
4. 程序的局部性（Program Locality）
虚拟存储器之所以有效，完全基于局部性原理：
- 时间局部性： 如果一个信息项正在被访问，那么在近期它很可能还会被访问。
- 空间局部性： 在不久的将来，程序很可能访问与当前访问地址相近的内存单元。如果编写的程序局部性差（例如大跨度地遍历二维数组），会导致频繁的缺页中断，产生抖动（Thrashing）现象。
5. 页面大小（Page Size）
页面大小的设计是一种权衡（Trade-off）：
- 较小的页面： 减少了内部碎片，且局部性捕获更精确，但会导致页表过大，增加查表开销。
- 较大的页面： 减少了页表条目和磁盘 I/O 次数（一次读更多），但可能增加内部碎片，并调入大量不必要的数据。
6. 分配给进程的物理块数（Resident Set Size）
根据工作集模型，如果分配给进程的物理块数少于其运行所需的工作集大小，缺页率会陡然上升。
- 抖动现象： 当系统由于内存不足频繁地进行页面换入换出，导致 CPU 大部分时间在等待磁盘 I/O 而非执行指令时，性能会彻底崩溃。
总结表
| 因素 | 对性能的影响 | 优化方向 |
|---|---|---|
| 缺页率 (p) | 决定性影响 | 提高局部性，优化算法 |
| 磁盘速度 | 影响单次缺页耗时 | 使用高速存储介质（SSD） |
| 置换算法 | 影响缺页频率 | 采用 LRU 或其变体 |
| 物理块数 | 影响常驻集大小 | 合理控制多道程序度，防止抖动 |