25、虚拟内存管理：原理、技术与优化策略

虚拟内存管理：原理、技术与优化策略

1. 虚拟内存基础与页表设置

在计算机系统中，虚拟内存技术允许程序使用比物理内存更大的地址空间。当CPU访问内存时，需要将虚拟地址转换为物理地址，这一过程由内存管理单元（MMU）完成。在启用MMU之前，操作系统必须正确设置页表，并通过设置MMU的页表基址寄存器，告知MMU页表在内存中的位置。

页表中的每个页描述符包含以下几个关键部分：
- 有效位（V） ：指示页描述符是否有效。MMU利用该位检测页错误并生成页错误中断请求。系统复位时，所有页描述符均无效。当一个页首次被转移到主内存时，操作系统初始化相应的页描述符并设置有效位。有效位被设置后，MMU可以使用该描述符进行虚拟地址转换；否则，会产生页错误，操作系统将该页转移到主内存。
- 存在位（P） ：指示对应的虚拟页当前是否存在于物理内存中。如果该位被设置，描述符中的帧号有效，可用于形成物理地址；否则，该页当前不在主内存中（之前已被交换到二级存储设备），MMU会产生页错误。
- 帧号 ：指定对应的虚拟页在物理内存中所在帧的物理地址。当有效位和存在位表明描述符有效且页存在于主内存中时，20位的帧号用于构造物理地址。
- 访问属性 ：定义虚拟页的访问权限，如读、写或执行权限。这些位控制对页的访问级别。根据系统架构，该字段可能还包含其他元数据，如脏位（指示页是否被修改）。

2. 两级分页技术

为了更有效地管理大型虚拟地址空间，可采用多级分页技术，这里重点介绍两级分页技术。在两级分页中，一个大