第九章-虚拟内存

1. 物理和虚拟寻址
   物理寻址：内存可以看做是一个字节数组，每个字节都有一个唯一的物理地址。从0开始递增。CPU使用物理地址访问内存，这种方式就是物理寻址。
   虚拟寻址：CPU通过生成一个虚拟地址来访问主存，虚拟地址在被送到主存之前先转换成适当的物理地址，这个转换任务叫做地址翻译。

2. 地址空间
   地址空间是非负整数地址的有序集合。
   CPU从一个有N=2^n个地址的地址空间中生成虚拟地址。这个地址空间称为虚拟地址空间。
   物理地址对应物理内存的M个字节。M不要求是2的幂。
   内存中的每个字节都对应一个物理地址和一个虚拟地址。

3. 虚拟内存
   虚拟内存是一个存放在磁盘上的N个连续字节大小的数组。
   虚拟内存和主存之间的传送单位是页，每个虚拟页的大小是字节。类似地，物理内存被分割为物理页，大小也为P字节。（也叫页帧）
   虚拟页面的集合分为：

• 未分配的
• 缓存的：当前已缓存在物理内存中的页
• 未缓存的

缓存的组织结构：
SRAM表示CPU和主存之间的L1、L2、L3高速缓存。
DRAM缓存表示虚拟内存系统的缓存，在主存中缓存虚拟页。

页表：
页表存放在物理内存中。
页表就是一个页表条目的数组。每个条目由一个有效位和一个n位地址字段组成的。
如果设置了有效位，那么地址字段就表示DRAM中相应页的起始位置。如果没有设置有效位，那么一个空地址表示这个虚拟页还未被分配。否则地址就指向虚拟页在磁盘上的起始位置。

页命中：
CPU想要读取某个页中的一个字时，会去查页表，如果有效位是1，那么就能够获取到虚拟页在主存中的起始地址（物理地址），就能够通过访问主存中的页获得那个字的值。
缺页：
在DRAM的缓存不命中称为缺页。在访问页表的某个条目时发现有效位为0，则会触发缺页异常。缺页异常调用内核中的缺页异常处理程序，该程序会选择一个牺牲页，如果该牺牲页被修改过就会被写回磁盘。然后修改页表条目，设置有效位为0。然后将磁盘中的虚拟页复制到内存中，并更新页表条目。异常处理程序返回的时候会重新启动导致缺页的指令。
分配页面：
在磁盘中创建空间并更新页表条目，使其指向磁盘中分配页的起始位置。

4. 虚拟内存作为内存管理的工具
   虚拟内存能够简化内存管理。
   操作系统为每个进程都提供了一个独立的页表，也就是一个独立的虚拟地址空间。每个页表的条目都指向一个物理内存中的页面。可以是多个条目指向同一个页面。
   虚拟地址使得链接器可以生成完全链接的可执行文件，这些文件独立于物理内存中代码和数据的最终位置。
   简化共享：每个进程都有自己私有的代码、数据、堆、栈区，是不与其他进程共享的。操作系统创建页表，将相应的虚拟页映射到不同的物理页面。但是有些进程需要共享代码和数据，比如C标准库中的程序。操作系统将不同进程中适当的虚拟页面映射到相同的物理页面。
   简化内存分配：当用户进程中的程序要求额外的堆空间时，操作系统可以分配一个适当个连续的虚拟内存页面，但是可以将它们映射到物理内存中任意位置的物理页面，没必要分配全部连续的物理内存页面。

5. 虚拟内存作为内存保护的工具
   可以在页表加入一些位，用来表示是否必须运行在内核模式，或者是可读可写位控制对页面的度和写访问。如果一条指令违反了这些许可，CPU就触发一个一般保护故障，将控制传递给内核中的异常处理程序。Linux shell一般将这种异常报告为“段错误（segmentation fault）”。