信息安全系统设计基础第十四周学习总结

第九章 虚拟存储器

 

9.1 物理和虚拟寻址

1. 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PA。第一个字节的地址为0，

接下来的字节的地址为1，再下一个为2，依此类推。

    给定这种简单的结构，CPU访问存储器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。

2. 虚拟寻址

    使用虚拟寻址时，CPU通过生成一个虚拟地址来访问主存，这个虚拟地址在被送到存储器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。

    CPU芯片上叫做存储器管理单元的专用硬件，利用存放在主存中的查询表来动态翻译虚拟地址，该表的内容是由操作系统管理。

9.2 地址空间

1.线性地址空间：地址空间中的整数是连续的一个非整数地址的有序集合：{0,1,2,...}。

2. 虚拟地址空间：在一个带虚拟存储器的系统中，CPU从一个有N = 2 ^ n个地址空间中生成虚拟地址。{0,1,2,3,...,N-1}。

3.一个地址空间的大小是由表示最大地址所需要的倍数来描述的。
4.虚拟存储器的基本思想：允许每个数据对象有多个独立的地址，其中每个地址都选自一个不同的地址空间。

9.3 虚拟存储器作为缓存的工具

1.虚拟存储器被组织为一个由存放在磁盘上N个连续的字节大小的单元组成的数组。每个字节都有一个唯一的虚拟地址，这个唯一的虚拟地址

是作为到数组的索引的。

2.每个虚拟页的大小为P = 2 ^ n字节。物理存储器被分割为物理页(PP)，大小也为P字节(物理页也称为页帧)。

3.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、缓存的、未缓存的

4.页表：一个页表条目的数组。将虚拟地址映射为物理地址，每个页表项(PTE)，有一个有效位，标识该地址是否在内存的缓存中，还有物理

页号或磁盘地址。

5.缺页，如果地址不再页表中，则牺牲一条记录，加载进新的地址映射和内容。

9.4 虚拟存储器作为存储器管理的工具

1、存储器映射：将一个虚拟存储器区域与一个磁盘上的对象关联起来，以初始化这个虚拟存储器区域的内容，一旦一个虚拟页面被初始化了，

他就在一个由内核维护的专门的交换文件之间换来换去。

2.简化链接、简化加载、简化共享、简化存储器分配

9.5 虚拟存储器作为存储器保护的工具

 

9.6 地址翻译

翻译整个过程：

地址翻译单元从虚拟地址中拿到虚拟页号，检查TLB，看是否存在TPE的缓存，如果有返回，若没有，查询主存的页表，页表可以实现多级，

拿到物理页号，如没有产生中断，调入地址，内核重新发送解析指令，最终返回物理地址；得到物理地址之后，将物理地址发给L1缓存，L1

没有L2、L3、主存。

 

9.7 Linux虚拟存储器系统

1. Linux虚拟存储器区域

每个存在的虚拟页存在某个区域中，而不属于某个区域的虚拟页是不存在的，并且不能被进程引用。

2.一个具体区域结构包含的字段：

（1）vm_start：指向这个区域的起始处。
（2）vm_end：指向这个区域的结束处。
（3）vm_prot：描述这个区域的内包含的所有页的读写许可权限。
（4）vm_flags：描述这个区域内页面是与其他进程共享的，还是这个进程私有的(还描述了其他一些信息)。
（5）vm_next：指向链表中下一个区域结构。

9.8 存储器映射

1.再看共享对象

（1）共享区域：

一个映射到共享对象的虚拟存储器区域叫做共享区域。

共享对象的关键点在于即使对象被映射到了多个共享区域，物理存储器也只需要存放共享对象的一个拷贝。一个共享对象物理页面不一定是连续的。

（2）私有对象是使用写时拷贝巧妙技术被映射到虚拟存储器中的。

2. 再看fork函数

当fork函数被当前进程调用时，内核为新进程创建各种数据结构，并分配给它一个唯一的PID。

3. 再看execve函数

execve函数在当前进程中加载并运行包含在可执行目标文件a.out中的程序，用a.out程序有效地替代了当前程序。

4. 使用mmap函数的用户级存储器映射

mmap函数要求内核创建一个新的虚拟存储器区域，最好是从地址start开始的一个区域，并将文件描述符fd指定的对象的一个连续的片映射到这个新区域。

9.9 动态存储分配

1.堆：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。

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。

分配器将堆视为一组不同大小的块的集合来维护。每个块就是一个连续的虚拟存储器组块，要么是已分配的，要么是未分配的。

2.显式分配器、隐式分配器

3.不修改已分配的块：分配器只能操作或者改变空闲块。一旦被分配，就不允许修改或者移动它。

4.碎片

外部碎片、内部碎片

5.放置分配的块的策略有：

首次适配、下一次适配、最佳适配

9.10 垃圾收集

垃圾收集器将存储器视为一张有向可达图。

Mark%Sweep垃圾收集器由标记（mark）阶段和清除（sweep）阶段组成。

总结体会

这章内容多，但是书上讲的很详细，仔细看书都可以解决遇到的问题，所以并没有很大的学习障碍。

在学习的过程中提升了自己的归纳整理能力。