第九章 虚拟存储器

第九章 虚拟存储器

概述：一个系统中的进程是与其他进程共享CPU和主存资源的。

三个重要的能力

• 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，在主存中只保存活动区域，并根据需要在磁盘和主存之间来回传送数据，通过这种方式，高效的使用了主存
• 它为每个进程提供了一致的地址空间，从而简化了存储器管理
• 它保护了每个进程的地址空间不被其他进程破坏

理解虚拟存储器的原因

• 虚拟存储器是中心的
• 虚拟存储器是强大的
• 虚拟存储器是危险的

9.1 物理和虚拟寻址

计算机系统的主存被组织成一个由M个连续的字节大小的单元组成的数组。每字节都有一个惟一的物理地址（physical address,PA）。第一个字节地址是0，接下来的字节地址为1

早期的PC使用物理寻址，而且诸如数字信号处理器，嵌入式微控制器以及Cray超级计算机这样的系统仍然继续使用这种寻址方式。而为通用计算机设计师的现代处理器使用的是虚拟寻址

CPU芯片上叫做存储器管理单元

9.2地址空间

地址空间为非负整数地址的有序集合：｛0，1，2，...｝

如果地址是连续的，则称为线性地址空间。如果计算机有n位地址总线，在一个带有虚拟存储器的系统中，CPU从一个有N = 2n个地址的地址空间中生成虚拟地址，这个地址称为虚拟地址空间：｛0，1，2，...,N-1｝
物理地址空间，与物理存储器的M个字节相对应：｛0，1，2，...M-1｝
M不要求是2的幂。

9.3虚拟存储器作为缓存的工具

概念上言，虚拟存储器被组织为一个由存放在磁盘上的N个连续的字节大小的单元组成的数组。
每字节都有一个惟一的虚拟地址，这个惟一的虚拟地址是作为到数组的索引的。磁盘上数组的内容被缓存到主存中。和存储器层次结构中其他缓存一样，磁盘（较低层）上的数据被分成块，这些块作为磁盘和主存（较高层）之间的传输单元。VM系统通过将虚拟存储器分割成称为虚拟页（virtual page,VP）的大小固定的块，来处理这个问题。

在任意时刻，虚拟页面的集合都分为三个不相交的子集：

• 未分配的：VM系统还未分配或创建的页。未分配的块没有任何数据与它们相关联，因此也就不占用任何磁盘空间。
• 缓冲存：当前缓存在物理存储器中的已分配页。
• 未缓存的：没有缓存在物理存储器中的已分配页。

9.3.2页表

存放在物理存储器一个数据结构，叫做页表（page table）。页表将虚拟页映射到物理页。
页表就是一个PTE（page table entry，页表条目）的数组。虚拟地址空间中的每个页在页表中的一个固定偏移量处都有一个PTE。

9.3.3页命中

9.3.4缺页

定义：DRAM缓存不命中称为缺页

9.3.5分配页面

9.4虚拟存储器作为存储器管理的工具

• 简化链接
• 简化共享
• 简化存储器分配
• 简化加载

9.6地址翻译

是一个N元素的虚拟地址空间（VAS）中的元素和一个M元素的物理地址空间（PAS）中元素之间的映射。

CPU中的一个控制寄存器，叫做页表基址寄存器（page table base register,PTBR）指向当前页表。N位的虚拟地址包含两个部分：一个p位的VPO（virtual page offset,虚拟页面偏移）和一个n-p位的VPN（virtual page number）。MMU利用VPN来选择适当的PTE。如VPN0选择PTE0。因为物理和虚拟页面都是p字节的，所以PPO（physical page offset物理页面偏移）和VPO是相同的，所以，将页表条目中PPN（physical page number,物理页号）和虚拟地址中的VPO串联起来，就是相应的物理地址。

结合高速缓存和虚拟存储器来看

首先，在既使用SRAM高速缓存又使用虚拟存储器的系统中，大多数系统选择物理寻址
主要思路是地址翻译发生在高速缓存之前

页表目录可以缓存，就像其他的数据字一样利用TLB加速地址翻译

TLB：翻译后备缓冲器，是一个小的、虚拟存储的缓存，其中每一行都保存着一个由单个PTE组成的块

9.7LINUX案例实例

Linux虚拟存储器

9.8存储器映射

Linux通过将一个虚拟存储器区域与一个磁盘上的对象（object）关联起来，以初始化这个虚拟存储器区域的内容，这个过程称为存储器映射（memory mapping）。

虚拟存储器区域可以映射到两种类型的对象：

• unix文件系统中的普通文件：一个区域可以映射到一个普通磁盘文件的连续部分。
• 匿名文件：一个区域也可以映射到一个匿名文件，匿名文件是由内核创建的，包含的全是二进制零。
  一旦一个虚拟页面被初始化了，它就在一个由内核维护的专门的交换文件（swap file）间换来换去。

共享对象

一个对象可以被映射到虚拟存储器的一个区域，要么作为共享对象，或作为私有对象。

9.9动态存储器分配

需要额外的虚拟存储器时，使用一种动态存储器分配器（dynamic memory allocator）。一个动态存储器分配器维护着一个进程的虚拟存储器区域，称为堆（heap）。在大多数的unix系统中，堆是一个请求二进制0的区域；对于每个进程，内核维护着一个变量brk，它指向堆的顶部。

心得与体会

这是本学期最后一次强制发博客的内容，内容很多,也很难，虽然在操作系统中学过虚拟存储的一些皮毛，但是相对于深入理解计算机系统中涉及的内容，那就是小巫见大巫了。书本不仅从原理上讲解了虚拟存储器。而且更多的是讲一些细节上的东西，所以看起来非常吃力。但是最后看完时觉得有非常大的成就感。我觉得通过这门课学到的不仅仅是一门知识，更重要的是一种对学习的态度，以及学习的方法，希望这种习惯能延续到我以后的学习中去。

参考资料

• 《深入理解计算机系统》第九章
• JUST STEPS的博客园 http://www.cnblogs.com/mydomain/archive/2011/06/29/2093573.html
• 颜佳薪同学的博客