操作系统---内存虚拟化

什么是虚拟内存？

虚拟内存就是说，让物理内存扩充成更大的逻辑内存，从而让程序获得更多的可用内存。虚拟内存使用部分加载的技术，让一个进程或者资源的某些页面加载进内存，从而能够加载更多的进程，甚至能加载比内存大的进程，这样看起来好像内存变大了，这部分内存其实包含了磁盘或者硬盘，并且就叫做虚拟内存。

虚拟内存的实现方式有哪些？

虚拟内存中，允许将一个作业分多次调入内存。采用连续分配方式时，会使得一部分内存空间都处于暂时或永久的空间状态，早餐内存资源的严重浪费，也无法从逻辑上扩大内存容量。因此，虚拟内存的需要建立在离散分配的内存管理方式的基础上。

• 请求分页管理存储
• 请求分段管理存储
• 请求段页式管理存储

为什么进程间的转换比较耗时

进程都有自己的虚拟空间，把虚拟地址转换为真实的物理地址需要通过页表转换，但是页表查找是一个很慢的过程，所以这里引进了快表(TLB)，由于每个进程都有自己的虚拟地址空间，并且每个经常都有自己的页表， 那么当进程切换后页表也要进行切换，页表切换后TLB就失效了，TLB命中率降低，则会导致虚拟地址转换为物理地址就会变慢，表现的形式就是程序运行变慢。而线程切换则不会导致TLB失效，因为线程无需切换地址空间，所以进程间的切换比线程间的切换慢。

进程切换时如何管理TLB的内容？

如果仅仅时单纯的清空TLB，那么每次程序运行，访问数据和代码页时，都会触发TLB未命中。如果操作系统频繁地切换进程，会增大开销。

解决方法：有的系统在TLB增加了一个地址空间标识符(Address Space Identifier ,ASID)，用来标识当前TLB这一列是那个进程。因此有了ACID,TLB可以缓存不同进程的地址空间映射，没有任何冲突。

如果两个进程共享同一个物理页，那么就会A进程映射到具体的物理页，B也会映射到对应的物理页。共享代码页，减少了内存开销。

什么是分页？

将空间分割成固定长度的分片。分页不是将一个进程的地址空间分割成几个长度不同的逻辑段，而是分割成固定大小的单元，称之为页。把物理内存看成是定长槽块的阵列，叫作页帧。每个页帧包含一个虚拟内存页。

为了记录地址空间的每个虚拟页放在物理内存中的位置，操作系统通常为每个进程保存一个数据结构，称为页表。----用作为地址空间的每个虚拟页面保存地址转换。

页表存储在操作系统的虚拟内存中。

为什么页表查询很慢

因为要使用分页，就要将内存地址空间切分成大量固定大小的页，并且需要记录这些单元的地址映射信息。因为这些映射信息一般存储在物理内存中，所以在转换虚拟地址时，分页逻辑上需要一次额外的内存访问（访问页表+真实内存地址)。每次指令获取、显示加载或保存，都需要额外读一次内存得到转换信息。

以简单的指令

movl 21 ，%eax为例

要获取所需数据，系统必须首先将虚拟地址（21）转换为正确的物理地址(XXX).因此，在从地址(XXX)获取数据之前，系统必须首先从进程的页表中提取适当的页表项，执行转换，然后从物理内存中加载数据。

页面替换算法

最优策略：替换内存中在最远将来才会被访问到的页，可以达到缓存为命中率最低。(可惜没办法知道未来的事情)

FIFO(先进先出):当发生替换时，队列尾部(先进入)的页被提出。

随机:在内存满的时候它随机选择一个页进行替换。

LFU(Least-Frequently-Used): 替换最不经常使用的页（需要依托硬件TLB实现）

LRU(Least-Recently-Used):替换最近最少使用的页

时钟算法(实际使用)： 时钟指针开始时指向某个特定的页，当必须进行页替换时，操作系统检查当前指向的页P的使用位是1还是0。如果是1，则意味着页面P最近被使用，因此不适合被替换。然后，把P的使用位设置为0,时钟指针指向下一页。一直持续到找到了一个使用位为0的页，使用位为0意味着这个页最近没有被使用过。如果所有的页都已经被使用了，那么就将所以页的使用位都设置为0，并删除最开始那一页。