現(xiàn)代操作系統(tǒng)了提供了一種對(duì)主存的抽象概念，叫做虛擬內(nèi)存。它為每個(gè)進(jìn)程提供了一個(gè)非常大的，一致的和私有的地址空間。這里給大家分享一些關(guān)于深入了解虛擬內(nèi)存，希望對(duì)大家能有所幫助。

概述

現(xiàn)代操作系統(tǒng)了提供了一種對(duì)主存的抽象概念，叫做虛擬內(nèi)存。它為每個(gè)進(jìn)程提供了一個(gè)非常大的，一致的和私有的地址空間。虛擬內(nèi)存提供了以下的三個(gè)關(guān)鍵能力：

它將主存看成是一個(gè)存儲(chǔ)在磁盤空間上的地址空間的高速緩存，主存中只保存活動(dòng)區(qū)域，并根據(jù)需要在磁盤和主存之間來回傳送數(shù)據(jù)。

它為內(nèi)閣進(jìn)程提供了一致的地址空間,簡(jiǎn)化了內(nèi)存管理。

它保護(hù)了每個(gè)進(jìn)程的地址空間不被其他進(jìn)程破壞。

虛擬內(nèi)存做為緩存的工具

從概念上來說，虛擬內(nèi)存被組織成為一個(gè)由存放在磁盤上的 N 個(gè)連續(xù)的字節(jié)大小的單元組成的數(shù)組，也就是字節(jié)數(shù)組。每個(gè)字節(jié)都有一個(gè)唯一的虛擬地址作為數(shù)組的索引。磁盤上活動(dòng)的數(shù)組內(nèi)容被緩存在主存中。在存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)中，較低層次上的磁盤的數(shù)據(jù)被分割成塊，這些塊作為和較高層次的主存之間的傳輸單元。主存作為虛擬內(nèi)存的緩存。

虛擬內(nèi)存(VM)系統(tǒng)將虛擬內(nèi)存分割成稱為虛擬頁(Virtual Page,VP)的大小固定的塊，每個(gè)虛擬頁的大小為 P = 2 的 p 次方 字節(jié)。同樣的，物理內(nèi)存被分割為物理頁(Physical Page,PP),大小也為 P 字節(jié)(物理頁也稱作頁幀(page frame))。

在任意時(shí)刻，虛擬頁面的集合都分為三個(gè)不相交的子集：

未分配的，VM 系統(tǒng)還未分配(或者創(chuàng)建)的頁，未分配的頁沒有任何數(shù)據(jù)和它們關(guān)聯(lián)，因此不占用任何內(nèi)存空間。

緩存的，當(dāng)前已緩存在物理內(nèi)存中的已分配頁。

未緩存的，未緩存在物理內(nèi)存中的已分配頁。

虛擬內(nèi)存作為內(nèi)存管理的工具

簡(jiǎn)化鏈接。獨(dú)立的地址空間允許每個(gè)進(jìn)程的內(nèi)存映像使用相同的基本格式，而不管代碼和數(shù)據(jù)實(shí)際存放在物理內(nèi)存的何處。

簡(jiǎn)化加載。虛擬內(nèi)存使得容易向內(nèi)存中加載可執(zhí)行文件和共享對(duì)象文件。將一組連續(xù)的虛擬頁面映射到任意一個(gè)文件中的任意位置的表示法稱作內(nèi)存映射(memory mapping)。Linux 提供了一個(gè) nmap 的系統(tǒng)調(diào)用，允許應(yīng)用程序自己做內(nèi)存映射。

簡(jiǎn)化共享。獨(dú)立地址空間為操作系統(tǒng)提供了一個(gè)管理用戶進(jìn)程和操作系統(tǒng)自身之間共享的一致機(jī)制。一般情況下，每個(gè)進(jìn)程都有自己私有的代碼、數(shù)據(jù)、堆棧。這些內(nèi)容不與其他進(jìn)程共享。在這種情況下，操作系統(tǒng)創(chuàng)建頁表，將相應(yīng)的虛擬頁映射到不連續(xù)的物理頁面。

簡(jiǎn)化內(nèi)存分配。虛擬內(nèi)存向用戶進(jìn)程提供一個(gè)簡(jiǎn)單的分配額外內(nèi)存的機(jī)制。當(dāng)一個(gè)用戶程序要求額外的堆空間時(shí)候，操作系統(tǒng)分配 k 個(gè)適當(dāng)?shù)倪B續(xù)的虛擬內(nèi)存頁面，并且將他們映射到物理內(nèi)存的中的 k 個(gè)任意頁面，操作系統(tǒng)沒有必要分配 k 個(gè)連續(xù)的物理內(nèi)存頁面。

地址翻譯

頁面命中

上圖中展示了頁面命中的場(chǎng)景，CPU 硬件的執(zhí)行步驟：

處理器 生成一個(gè)虛擬地址，并把它傳送給 MMU。

MMU 生成 PTE 地址，并從高速緩存/主存中請(qǐng)求這個(gè) PTE 。

高速緩存/主存向 MMU 返回 PTE。

MMU 構(gòu)造物理地址，并把它傳送給高速緩存/主存。

高速緩存/主存返回所請(qǐng)求的數(shù)據(jù)字給處理器。

頁面命中是全部由硬件來處理的，既然有頁面命中，那么就有頁面不命中的場(chǎng)景。

頁面不命中

上圖展示了頁面不命中的場(chǎng)景， CPU 硬件的執(zhí)行步驟：

處理器 生成一個(gè)虛擬地址，并把它傳送給 MMU。

MMU 生成 PTE 地址，并從高速緩存/主存中請(qǐng)求這個(gè) PTE 。

高速緩存/主存向 MMU 返回 PTE。

PTE 中的有效控制位為 0 ，所以 MMU 觸發(fā)了一次異常，傳遞 CPU 中的控制到操作系統(tǒng)內(nèi)核中的缺頁異常處理程序。

缺頁處理程序確定出物理內(nèi)存中的犧牲頁，如果這個(gè)頁面已經(jīng)被修改了，則把它換出到磁盤。

缺頁處理程序調(diào)入新的頁面，并更新內(nèi)存中的 PTE。

缺頁處理程序返回原來的進(jìn)程，再次執(zhí)行導(dǎo)致缺頁的指令， CPU 將引起缺頁的虛擬地址重新發(fā)送給 MMU ，因?yàn)樘摂M頁面現(xiàn)在存在主存中，所以會(huì)命中，主存將請(qǐng)求字返回給處理器。

地址翻譯的過程執(zhí)行起來太慢了?怎么解決呢?答案你應(yīng)該也猜到了，就是添加緩存。在 MMU 中包含了一個(gè) TLB (Translation Lookaside Buffer)緩存。

TLB 命中

我們來看看 TLB 命中的場(chǎng)景，

第 1 步 CPU 產(chǎn)生一個(gè)虛擬地址

第 2 和 3 步 MMU 從 TLB 中取出對(duì)應(yīng)的 PTE 。

第 4 步 MMU 將這個(gè)虛擬地址翻譯成一個(gè)物理地址，并且將它發(fā)送到高速緩存/主存。

第 5 步 高速緩存/主存將所請(qǐng)求的數(shù)據(jù)字返回 CPU。

如下圖所示，當(dāng) TLB 不命中的時(shí)候， 多了步驟 3 和 4 ，MMU 必須從 L1 緩存中取出對(duì)應(yīng)的 PTE , 新取出的 PTE 存放在 TLB 中，可能會(huì)覆蓋一個(gè)已經(jīng)存在的 PTE 。

TLB 不命中

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