深入理解计算机系统（第3版） 第九章 虚拟内存

1.虚拟内存

为了更加有效地管理内存并且少出错，现代系统提供了一种对主存的抽象概念，叫做虚拟内存（VM）。

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。

通过一个很清晰的机制，虚拟内存提供了三个重要的能力：1）它将内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，它高效地使用内存；2）它为每个进程提供了一致的地址空间，从而简化了内存管理；3）它保护了每个进程的地址空间不被其他进程破坏。

 

2.物理寻址

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。每字节都有一个唯一的物理地址（physical address，PA）。第一个字节的地址为0，以此类推，直到M-1，给定这种简单的结构，CPU访问内存的最自然的方式就是使用物理地址，我们把这种方式称为物理寻址（physical addressing）。

 

3.虚拟寻址

使用虚拟寻址，CPU通过生成一个虚拟地址（virtual address，VA）来访问主存，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（address translation）。

就像异常处理一样，地址翻译需要CPU硬件和操作系统之间的紧密合作，CPU芯片上叫做内存管理单元（memory management unit，MMU）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。

 

4.垃圾收集

垃圾收集器（garbage collector）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，这些块被称为垃圾（garbage）（因此术语就称之为垃圾收集器）。

自动回收堆存储的过程叫做垃圾收集（garbage collection）。

在一个支持垃圾收集的系统中，应用显示分配堆块，但从不显示地释放它们，在C程序的上下文中，应用调用malloc，但是从不调用free。反之，垃圾收集器定期识别垃圾块，并相应地调用free，将这些块放回到空闲链表中。

垃圾收集器将内存视为一张有向可达图（reachability graph），如下图，该图的节点被分成一组根节点（root node）和一组堆节点（heap node）。每个堆节点对应于堆中的一个已分配块。

有向边p -> q意味着块p中的某个位置指向块q中的某个位置。根节点对应于这样一种不在堆中的位置，它们中包含指向堆中的指针。这些位置可以是寄存器、栈里的变量，或者是虚拟内存中读写数据区域内的全局变量。

当存在一条从任意根节点出发到达p的有向路径时，我们说节点p是可达的（reachable）。在任何时刻，不可达节点对应于垃圾，是不能被应用再次使用的。垃圾收集器的角色是维护可达图的某种表示，并通过释放不可达节点且将它们返回给空闲链表，来定期的回收它们。

 

第九章小结