第九章 虚拟内存
虚拟内存
内存管理单元(Memory Management Unit, MMU): CPU芯片上的专用硬件，利用存放在主存中的查询表来动态翻译虚拟地址，该表的内容由操作系统管理。
虚拟内存系统将虚拟内存分割为虚拟页(virtual page)，物理内存分割为物理页(physical page)，也称页帧(page frame)，两者大小一致
虚拟页面集合包括三个子集:
- 未分配：虚拟内存系统还未分配/创建的页，没有任何数据关联，不占任何磁盘空间
- 缓存的：当前已缓存在物理内存中的已分配页
- 未缓存的：未缓存在物理内存中的已分配页
SRAM缓存：位于CPU与主存之间的L1/L2/L3高速缓存
- DRAM缓存：位于主存中的缓存虚拟页
页表
页表(page table)，虚拟页/地址映射到物理页/地址
- 页表条目(page table entry, PTE)
- 每个PTE通常由有效位(valid bit)和n位地址组成，有效位标记虚拟页是否缓存在DRAM中。没有设置有效位，则地址指向虚拟页在磁盘的起始位置，否则一个空地址表示虚拟页未分配。
多级页表：
- 一级页表：一个4KB的页表，每个PTE有4B，可以指向1K个4KB页面，则总共能指向4MB内存空间。
- 两级页表：一个4KB的页表，每个PTE有4B，指向1K个4KB的页表。
- 多级页表减少了内存要求：
- 如果一级页表的PTE是空的，那么对应的二级页表也是空的
- 只有一级页表4KB总是在主存中，虚拟内存系统需要时才创建/页面调度/页面调出二级页表
缺页(page fault)，产生缺页异常，调用内核缺页异常处理函数，进行页面交换(swapping)/页面调度(paging)，处理完回到产生异常的指令继续执行。
内存保护：页表PTE上增加许可位sup/r/w，sup表示进程是否运行在内核模式下才能访问，r/w表示进程对该页面的读写控制
地址翻译
缺页操作
带TLB的缺页操作
Intel Core i7/Linux
core i7 地址翻译：
Linux 虚拟内存管理
内存映射(memory mapping)
- 共享对象：映射共享对象到进程中
- 不进行修改，则都引用到同一块物理内存中
- 如果映射作为私有对象，都映射到相同的物理内存，但是标记为只读且私有的写时复制(copy-on-write)。即任何进程试图写操作，都会处罚保护故障，保护故障将创建新的物理页面副本，更新页表，标记可写等操作，该进程将对新页面进行写。
- 典型的应用即为fork操作，两个进程每个区域都是写时复制，任何一个进程写操作都会触发新页面的创建。
动态内存分配
Linux内核为每个进程维护一个堆，指针brk指向堆顶，动态内存从堆中分配而来。
碎片
- 内部碎片(internal fragmentation): 为了字节对齐等原因，分配大小比实际有效载荷大
- 外部碎片(external fragmentation): 空闲内存足够，但是没有一个单独的空闲块足够
如何实现
- 空闲块组织: 如何记录空闲块
- 放置: 如何选择一个合适的空闲块来放置一个新分配的块
- 分割: 新分配的块放置在空闲块之后，如何处理剩余部分
- 合并: 如何处理刚被释放的块
分离的空闲链表：维护多个空闲链表，将块分成大小类(size class)
- 简单分离存储：每个链表块大小一致，如32/64/128/...，直接找对应链表进行分配
- 分离适配：简单分离的基础上，如果小块不够，会进行大块的分割，小块也会进行合并成大块
- 伙伴系统：buddy system, 分离适配的特例，类大小按2的幂进行分割