读书笔记：《深入理解计算机系统》第九章 虚拟内存

第一次作业：认识页表概念。

第二次作业：认识内存映射，分配和回收概念。

 

虚拟是计算机系统中很重要的一个概念。

虚拟内存是对主存的一种抽象概念，它是硬件异常，硬件地址翻译，主存，磁盘文件和内核软件的交互。

虚拟内存系统将虚拟内存分割为虚拟页，分为三种类型，未分配的，已经缓存在物理内存中的已分配页，未缓存在物理内存中的已分配页。

 

为了判断这些虚拟页的情况，就需要要加字段来判断，所以又出现了一个叫页表的数据结构来进行记录这些字段。

每次地址翻译硬件将一个虚拟地址转换为物理地址时，都会读取页表。操作系统负责维护页表的内容。

页面表中单个页表条目由一个有效位和n位地址字段组成，有效位用来判断该虚拟页是缓存在主存中。

 

而CPU读取虚拟页时会先通过有效位来判断是否在主存缓存中，所以会出现两种情况，一种是页命中，一种是缺页。

页命中，就顺其自然的获得物理内存地址，构造出物理地址。

而如果是缺页，就会调用内核中的缺页异常处理程序，在物理内存中牺牲一个页来存放在磁盘中查找到的需要的页，然后再次查询就会获得需要的页。

虚拟页面因为时间局限性的缘故，所以其实出现不命中的情况比较少，所以编写程序时只要有好的时间局限性，虚拟内存系统的性能就很好。

 

Linux通过将一个虚拟内存与一个磁盘上的对象关联起来，来初始化这个虚拟内存区域的内容，这个过程称为内存映射。

虚拟内存区域可以映射到两种类型的对象中的一种，一种是Linux文件系统中的普通文件，一种是匿名文件。

关于映射，一个很好的应用就是共享对象，两个不同的进程可以在物理内存中共享一个共享对象，除非一个进程需要对其进行写操作，这样就可以很好地利用物理内存。

这时我们再看fork函数，其实在没有写操作前父进程与子进程就是用到了映射。

 

谈到虚拟内存，就要谈到内存的分配和回收，虽然有低级的mmap和munmap函数来创建和删除虚拟内存的区域，但是C程序员还是觉得当运行时需要额外虚拟内存时，用动态分配器会更方便且有移植性，比如说经常到程序实际运行时才知道某些数据结构的大小，这样按需分配，比刚开始硬编码制定内存实用高效许多。

动态分配器分为两种，显示分配器和隐式分配器。

显示分配器，要求应用显示地释放任何已分配的块。例如C语言中一种叫malloc程序包的显示分配器，使用malloc和free进行分配和回收内存。

而隐式分配器则要求分配器检测一个已分配块何时不再被程序使用，就释放这个块，也叫垃圾收集器，Java中就靠垃圾收集器来回收内存。C语言中也能通过复制清除算法实现一种保守的清理方法。