第9章——虚拟内存

• 虚拟内存是硬件异常、硬件地址翻译、主存、磁盘文件和内核软件的完美交互，它为每个进程提供了一个大的、一致的和私有的地址空间
• 虚拟内存提供了三个重要的能力
  1. 它将主存看成是一个存储在磁盘上的地址空间的高速缓存
  2. 它为每个进程提供了一致的地址空间
  3. 它保护了每个进程的地址空间不被其他进程破坏

物理和虚拟地址

• 每字节都有一个唯一的物理地址
• CPU使用物理地址访问内存的方式称为物理寻址
• 虚拟寻址：CPU通过生成一个虚拟地址来访问内存，这个虚拟地址在被送到内存之前先转换成适当的物理地址，将一个虚拟地址转换为物理地址的任务叫做地址翻译

地址空间

• 地址空间是一个非负整数地址的有序集合，如果地址空间中的整数是连续的，称为线性地址空间
• 一个地址空间的大小是由表示最大地址所需的位数来描述的

虚拟内存作为缓存的工具

• VM将虚拟内存分割为大小固定的块称为虚拟页，虚拟页的集合分为三个不相交的子集：
  1. 未分配的：没有数据和他们相关联，不占用任何磁盘空间
  2. 缓存的：当前已缓存在物理内存中的已分配页
  3. 未缓存的：当前未缓存在物理内存中的已分配页
• 页表将虚拟页映射到物理页，是一个页表条目的数组(PTE)，每个页面中都有一个PTE
• 页命中：当CPU读包含在VP2中的虚拟存储器的一个字时，地址翻译硬件将虚拟地址作为一个索引定位PTE2，并从存储器中读取它.因为有效位为1，所以地址翻译硬件就知道VP2是缓存在物理存储器中的了。所以，它可以直接使用PTE中的物理存储器地址，构造出这个字的物理地址
• DRAM缓存不命中称为缺页
• 在磁盘和内存之间传送页的活动叫做交换或页面调度
• 当不命中发生时，才换入页面的策略称为按需页面调度
• 局部性原则保证了在任意时刻，程序将趋向于在一个较小的活动页面集合上工作，这个集合叫做工作集或者常驻集合

虚拟内存作为内存管理的工具

• VM简化了链接和加载、代码和数据共享，以及应用程序的内存分配

虚拟内存作为内存保护的工具

• 在页表中设置许可位，SUP(在内核模式下才能访问)、READ、WRITE

地址翻译

• 地址翻译是一个N元素的虚拟地址空间中的元素和一个M元素的物理地址空间中元素之间的映射
• 翻译后备缓冲器(TLB)是一个小的、虚拟寻址的缓存，其中每一行都保存着一个由单个PTE组成的块

Linux虚拟内存系统

• Linux为每个进程维护了一个单独的虚拟地址空间
• 内核虚拟内存包含内核中的代码和数据结构

内存映射

• 一个映射到共享对象的虚拟内存区域叫做共享区域，类似地，也有私有区域
• 私有对象使用一种叫做写时复制的技术被映射到虚拟内存中
• 进程可以使用mmap函数来创建新的虚拟内存区域，并将对象映射到这些区域中

动态内存分配

• 动态内存分配器维护着一个进程的虚拟内存区域，称为堆，分配器将堆视为一组不同大小的块的集合来维护
• 显式分配器：要求应用显式地释放任何已分配的块
• 隐式分配器：要求分配器检测一个已分配块何时不再被程序所使用，那么就释放这个快

垃圾收集

• 垃圾收集器是一种动态内存分配器，它自动释放程序不再需要的已分配块

C程序中常见的与内存有关的错误

• 间接引用坏指针：试图引用一个指向没有映射到任何有意义的数据的指针的时候，操作系统会以段异常终止程序
• 读未初始化的内容：假设堆内存被初始化为0
• 允许栈缓冲区溢出
• 假设指针和它们指向的对象是相同大小的
• 造成错位错误
• 引用指针，而不是它们所指向的对象
• 误解指针运算
• 引用不存在的变量
• 引用空闲堆块中的数据
• 引起内存泄露：忘记释放已分配块