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虚拟内存

虚拟内存​

虚拟内存​
  • 内存的抽象；
  • 为进程提供私有内存空间；
  • 若干连续的字节组成的数组，存储在磁盘中；
  • 每个字节对应唯一的虚拟地址，作为数组的索引；
页​
  • 类似于存储器层次结构中的块，作为磁盘和内存之间的传输单元；
  • 虚拟内存中称其为虚拟页；
  • 物理内存中称其为物理页 (帧)；
虚拟页的状态​
  • 未分配：未创建的页；
  • 缓存：缓存在物理内存中的已分配页；
  • 未缓存：未缓存在物理内存中的已分配页；
页表 (PTE)​
  • 存储物理页号或者磁盘地址；
    • 缓存：存储物理页号；
    • 未缓存：存储磁盘地址；
  • MMU 通过页表完成地址翻译；

页表

页命中和缺页​
  • 页命中：页已被内存缓存；
  • 缺页：页未被内存缓存；
内存保护功能​
  • 通过页表实现内存的访问控制功能；

物理和虚拟寻址​

地址空间​

  • 非负整数地址的有序集合；
  • 计算机的字长决定其大小；

物理地址和物理寻址​

  • 内存是若干连续的字节组成的数组；
  • 每一个字节对应一个唯一的物理地址；
  • CPU 使用物理地址访问内存称作物理寻址；

虚拟地址和虚拟寻址​

  • CPU 生成虚拟地址访问内存；
  • 通过 CPU 上的内存管理单元 (MMU) 翻译为物理地址；
    • MMU 使用查询表进行两者的映射；

地址翻译​

地址翻译​
  • 虚拟地址空间到物理地址空间的映射；
页命中流程​
  • CPU 生成虚拟地址，并传递至 MMU；
  • MMU 生成 PTE 地址，并传递至内存；
  • 内存返回 PTE 对应数据；
  • MMU 构造物理地址，并传递至内存；
  • 内存返回对应数据至 CPU；
缺页流程​
  • CPU 生成虚拟地址，并传递至 MMU；
  • MMU 生成 PTE 地址，并传递至内存；
  • 内存返回 PTE 对应数据；
  • MMU 触发缺页异常处理程序，将缺页缓存至内存；
  • CPU 重新发送缺页虚拟地址给 MMU，进入页命中流程；
多级页表​
  • 使用多级页表用于压缩页表；
  • 上级页表的 PTE 负责映射下级页表；

内存映射和内存分配​

内存映射​
  • 将虚拟内存区域与磁盘某对象关联；
    • 普通文件
    • 匿名文件；
  • 虚拟内存一旦初始化，通过内核维护的交换文件 (swap file) 交换处理；
共享对象​
  • 共享对象的物质内存空间被多个进程的虚拟内存空间映射；
  • 一个对象对于共享对象的操作，对于其他进程是可见的，同时修改磁盘上的原始对象；

共享对象

私有对象​
  • 私有对象的物质内存空间被多个进程的虚拟内存空间映射；
  • 一个对象对于私有对象的操作，对于其他进程是不可见的，不会修改磁盘上的原始对象；
  • 私有对象使用 "写时复制" 的机制防止原始对象的改变；

私有对象

动态内存分配​
  • 动态内存分配器维护一个进程的虚拟内存区域，称作堆；
  • 堆是一组不同大小块的集合，用于程序的内存分配；
  • 用于运行时的内存分配；
  • 效率相对于栈较慢；