現代操作系統了提供了一種對主存的抽象概念，叫做虛擬內存。它為每個進程提供了一個非常大的，一致的和私有的地址空間。這里給大家分享一些關于深入了解虛擬內存，希望對大家能有所幫助。

概述

現代操作系統了提供了一種對主存的抽象概念，叫做虛擬內存。它為每個進程提供了一個非常大的，一致的和私有的地址空間。虛擬內存提供了以下的三個關鍵能力：

它將主存看成是一個存儲在磁盤空間上的地址空間的高速緩存，主存中只保存活動區域，并根據需要在磁盤和主存之間來回傳送數據。

它為內閣進程提供了一致的地址空間,簡化了內存管理。

它保護了每個進程的地址空間不被其他進程破壞。

虛擬內存做為緩存的工具

從概念上來說，虛擬內存被組織成為一個由存放在磁盤上的 N 個連續的字節大小的單元組成的數組，也就是字節數組。每個字節都有一個唯一的虛擬地址作為數組的索引。磁盤上活動的數組內容被緩存在主存中。在存儲器結構中，較低層次上的磁盤的數據被分割成塊，這些塊作為和較高層次的主存之間的傳輸單元。主存作為虛擬內存的緩存。

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

在任意時刻，虛擬頁面的集合都分為三個不相交的子集：

未分配的，VM 系統還未分配(或者創建)的頁，未分配的頁沒有任何數據和它們關聯，因此不占用任何內存空間。

緩存的，當前已緩存在物理內存中的已分配頁。

未緩存的，未緩存在物理內存中的已分配頁。

虛擬內存作為內存管理的工具

簡化鏈接。獨立的地址空間允許每個進程的內存映像使用相同的基本格式，而不管代碼和數據實際存放在物理內存的何處。

簡化加載。虛擬內存使得容易向內存中加載可執行文件和共享對象文件。將一組連續的虛擬頁面映射到任意一個文件中的任意位置的表示法稱作內存映射(memory mapping)。Linux 提供了一個 nmap 的系統調用，允許應用程序自己做內存映射。

簡化共享。獨立地址空間為操作系統提供了一個管理用戶進程和操作系統自身之間共享的一致機制。一般情況下，每個進程都有自己私有的代碼、數據、堆棧。這些內容不與其他進程共享。在這種情況下，操作系統創建頁表，將相應的虛擬頁映射到不連續的物理頁面。

簡化內存分配。虛擬內存向用戶進程提供一個簡單的分配額外內存的機制。當一個用戶程序要求額外的堆空間時候，操作系統分配 k 個適當的連續的虛擬內存頁面，并且將他們映射到物理內存的中的 k 個任意頁面，操作系統沒有必要分配 k 個連續的物理內存頁面。

地址翻譯

頁面命中

上圖中展示了頁面命中的場景，CPU 硬件的執行步驟：

處理器 生成一個虛擬地址，并把它傳送給 MMU。

MMU 生成 PTE 地址，并從高速緩存/主存中請求這個 PTE 。

高速緩存/主存向 MMU 返回 PTE。

MMU 構造物理地址，并把它傳送給高速緩存/主存。

高速緩存/主存返回所請求的數據字給處理器。

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景。

頁面不命中

上圖展示了頁面不命中的場景， CPU 硬件的執行步驟：

處理器 生成一個虛擬地址，并把它傳送給 MMU。

MMU 生成 PTE 地址，并從高速緩存/主存中請求這個 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 觸發了一次異常，傳遞 CPU 中的控制到操作系統內核中的缺頁異常處理程序。

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

缺頁處理程序調入新的頁面，并更新內存中的 PTE。

缺頁處理程序返回原來的進程，再次執行導致缺頁的指令， CPU 將引起缺頁的虛擬地址重新發送給 MMU ，因為虛擬頁面現在存在主存中，所以會命中，主存將請求字返回給處理器。

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

TLB 命中

我們來看看 TLB 命中的場景，

第 1 步 CPU 產生一個虛擬地址

第 2 和 3 步 MMU 從 TLB 中取出對應的 PTE 。

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

第 5 步 高速緩存/主存將所請求的數據字返回 CPU。

如下圖所示，當 TLB 不命中的時候， 多了步驟 3 和 4 ，MMU 必須從 L1 緩存中取出對應的 PTE , 新取出的 PTE 存放在 TLB 中，可能會覆蓋一個已經存在的 PTE 。

TLB 不命中

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