CSAPP--第九章：虚拟内存

CSAPP：虚拟内存

虚拟内存介绍

说明：

为了更加有效地管理内存，并且少出错。现代系统提供了一种对主存的抽象概念，称为：虚拟内存（Virtual Memory：VM）

物理和虚拟寻址

物理寻址（PA）：

使用对象：早期计算机系统，及某些小型嵌入式系统中。

寻址方式：①将内存分为一个连续的数组，字节为单元，每个字节都包含了唯一的物理地址。②cpu直接发送物理地址到内存，找到该字节，读取并返回到cpu寄存器中。

如下图：

物理寻址抽象

虚拟地址（VA）：

使用对象：现代计算机系统。

寻址方式：①将内存分成连续的字节数组，并且构造了一张查询表。②cpu芯片上维护一个内存管理单元（MMU），cpu发送虚拟地址到MMU，其与操作系统协同进行翻译。③将翻译的地址，访问内存物理地址，读值并返回到cpu寄存器。

如下图：

虚拟寻址抽象

地址空间：

非负数整数地址的有序集合。

线性地址空间：地址空间的整数是连续的。本章假设使用的是线性地址空间。

虚拟地址空间：若地址空间包含N=2^n个地址，则可以称为n位地址空间。

物理地址空间：对应于物理地址中的字节数M，可以不为2的幂，但本文假设为2的幂。

虚拟内存作为缓存

对应于cpu和主存间的高速缓存L1，L2，L3。主存和磁盘间的虚拟内存管理方式也类似。

如同高速缓存结构，磁盘中的数据也被分成固定大小的块，在磁盘和主存间进行数据传送。

物理内存被分为物理页（Physical Page：PP），虚拟内存也被分为虚拟页（Virtual Page：VP）。

虚拟页：

其被组织为虚拟页的集合。包括三个不相交的子集：

①已缓存的：虚拟页指向物理页。

②未缓存的：虚拟页指向磁盘空间。

③未分配的：虚拟页为空。

如下图：

虚拟页作为缓存

虚拟页的缓存机制：

①由于不命中处罚很严重（要访问磁盘，速度慢100K倍），DRAM缓存（虚拟页）全相连的。

②不命中的替换策略也很重要，操作系统使用了很精密复杂的替换算法。

③DRAM缓存使用写回，而不是直写。

页表

说明：

虚拟内存作为缓存机制，其功能由操作系统、MMU和物理内存中的页表共同实现。

页表（PT）是一张存放了物理页号或磁盘地址的表。如下图，其中元素为页表词条PTE：包含有效位和物理页号（或磁盘地址）。

如下图，形似高速缓存中的结构：

页表

页命中

页命中流程抽象图

缺页（页不命中）

当发现缺页时，会调用异常处理机制，将磁盘上的对应页调入到内存，然后重新执行原指令。

下图为缺页前和缺页后：

缺页前

异常处理后(缺页后)

页面分配过程

页面分配过程
实际效能

由于局部性的关系，虚拟内存的工作性能相当乐观。

程序总趋向于在一个较小的活动页集合上工作，称其为工作集。

但当工作集大小超过物理内存大小时，可能会发生抖动。会严重阻碍程序性能。

linux统计缺页：用getrusage函数。

用虚拟内存进行内存管理

结构说明：

虚拟内存对每个进程，维护了一个独立的虚拟页表。使之可以用一个通用的方法，来处理每一个进程。

进程 i，j 的虚拟表示意图

简化：
- 简化链接：
  
  每个进程拥有独立地址空间，所以可以用相同格式，来链接代码和数据，而不管代码和数据实际存放的物理内存地址。如对每个64位机器中的进程，都可以看做从0x40000地址开始放置代码段、（对齐间隙）、数据段，堆、栈空间等。
- 简化加载：
  
  当加载时，虚拟内存会给数据段和代码段分配虚拟页，标记为未被缓存的。
  
  但并不实际进行复制，而是当cpu初次调用指令时，才会加载到内存中。
- 简化共享：
  
  对于共享目标文件和系统函数等，操作系统将不同进程中适当的虚拟页，映射到相同的物理页面，从而可以共享一个副本。
- 简化内存分配：
  
  当分配了内存空间时，如调用malloc函数，操作系统会适当分配连续的k个虚拟页面，其可以不连续映射在物理页面中，而是可以随机分散。

虚拟内存机制提供内存保护

说明：

通过在每一条页表中，设置许可位，可以有效进行内存保护。

SUP：是否在内核模式才可以访问。

READ\WRITE：是否可以读、写。

真实的系统中，其有更多的许可位来进行内存保护，包括对内存泄漏攻击的防护等。

如下图：

地址翻译符号小结图

地址翻译的符号总结

使用页表进行地址翻译流程

①通过页表机制寄存器得到本进程页表数组的首地址

②用VPN(虚拟页表号)作为索引找到指定页表

③页命中的情况下：提取物理页表，并与VPO（虚拟页偏移量）合并成物理地址。

//虚拟页和物理页的偏移量，就是页字节大小的偏移量。由于页大小固定，所以他们两个一样。

使用页表的地址翻译流程

页面命中和缺页的流程

说明：

a)页面命中时，全程由硬件完成。

b)缺页时，会调用操作系统中的异常处理程序，选择一个牺牲页，并从磁盘读取目的页。

命中和缺页的操作流程

高速缓存与虚拟内存结合

之前的示意图，高速缓存和内存是放在一个抽象模块中的。现在将他们分离开来。

PTEA：页表词条的地址，即虚拟地址中的VPN。

现代系统中，高速缓存是用物理寻址，由此可以直接得到指令和数据。

PTEA通常是和TLB（翻译后备缓冲器）进行交互，得到页表中的物理页号（PPN）。

如下图：

多级页表

多级页表说明：

因为内存的容量有限，如果将每个进程的全部页表都放在内存中，会很大的消耗内存，加之进程中大多数页表是空的，造成了内存浪费。

多级页表便是采用多层映射的方式，是内存中常驻的非空一级页表，仅保存指向二级页表的基址。

出于两个方面而使用多级页表：

①当典型的程序中，4G的虚拟地址空间大部分都是未分配的。对于空的PTE，其二级页表也不会存在，节约内存空间。

②只有一级页表才需要常驻在内存中。当需要二级页表时，如初次调用某函数，可以临时创建、调入二级页表。

注意：
1级页表和2级页表都包含1K(2^10)个虚拟页表词条PTE。
1级页表中，每个PTE大小是一个4M的片 = 1K个页 = 1K * 4K 个字节。