CPU眼里的： MMU | 空间独立性|虚拟内存

很难绷得住

已于 2022-06-17 21:29:00 修改

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分类专栏：操作系统文章标签： linux 运维服务器

于 2022-06-03 16:31:20 首次发布

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/qq_42567607/article/details/125090130

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一，MMU与空间独立性

内存管理单元（memory management unit）
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P1P2为两个进程，它们之间存在空间独立性，p1与p2的a虽然同一虚拟内存，但经过MMU会映射在物理内存的不同地址

真正的物理内存空间就是天空，每个进程就是一只青蛙，MMU就是束缚青蛙的井，不同井之间的青蛙具有空间独立性，它们之间不能相互通信，如果没有了井的束缚，青蛙就跳到井外变成线程。
在这里插入图片描述
进程空间中的多线程（一口井中的多只青蛙）可以互相通信，因此用线程实现多任务编程会很方便，但是一个线程崩溃（一只青蛙死亡）整个进程将崩溃（所有青蛙将死亡），因此网络服务器使用多进程来确保安全。

同一个进程内多个线程之间可以共享代码段、数据段、打开的文件等资源，但每个线程都有独立一套的寄存器和栈，这样可以确保线程的控制流是相对独立的。
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二，虚拟内存与页表

虚拟内存是计算机系统内存管理的一种技术。它使得应用程序认为它拥有连续的可用的内存（一个连续完整的地址空间），而实际上，它通常是被分隔成多个物理内存碎片，还有部分暂时存储在外部磁盘存储器上，在需要时进行数据交换。目前，大多数操作系统都使用了虚拟内存，如Windows家族的“虚拟内存”；Linux的“交换空间”等。
CPU在运行时其程序计数器（用于存放下一条指令所在单元的地址的地方）每次偏移一个地址单元的长度，因此其需要访问一段连续的地址空间，这时候有着连续地址的虚拟内存就派上用场了。
页表的由来：
①：进程在运行时不是整个加载到内存中，而是CPU需要进程的哪一部分代码就从硬盘中加载到内存中运行，因此将进程拆分开来，在内存中也相应的拆分开来。
②：若将整个内存单元使用MMU进行一条条的映射，假如内存空间为8G，每个地址需要4字节表示，MMU中需要存储8G行，共32G存储空间，这是不可能实现的，因此使用页表进行一段一段的映射
在这里插入图片描述

内存中拆分的基本单位称为页（内存分页，一个页4K），拆分开的进程与拆分开的内存通过页表进行映射，页表由页表项组成，每个页表项指出当前进程的代码在内存中映射到哪一页，在该页中的偏移地址是多少。如上图0x00003005的0x00003让MMU查看页表第3行的值，也就是0x80003000，也就是虚拟内存页对应的物理内存页的起始地址，其低12位（12位刚好可以访问到4K的地址，即一个页表都能访问到）005指该虚拟地址在内存页中对应第5个。至此得到了虚拟地址在内存上物理地址的映射为0x80003005。
使用不同的页表的进程的进程空间被隔离：（若使用了同一页表则是在做进程间的通信）
在这里插入图片描述
同一进程中的线程使用同一页表，因此他们可以访问到内存上同一块空间，实现线程间的通信，存在共享变量：

当内存不够时，页表还能将虚拟地址映射到磁盘中
参考：https://www.bilibili.com/video/BV12r4y1e7uM/?spm_id_from=333.788

三、页表与MMU

上面两节中虚拟地址一会通过MMU转换成物理地址，一会通过页表转换成物理地址，那这二者的关系是什么呢
MMU:CPU里有一个内存管理单元（Memory Management Unit），简称MMU，虚拟内存不是直接送到内存总线，而是先给到MMU，由MMU来把虚拟地址映射到物理地址，程序只需要管理虚拟内存就好，映射的逻辑自然有其它模块自动处理。

在这里插入图片描述

页表：页表是存储在内存里的虚拟地址到物理地址映射的集合。
MMU相当于执行者，该怎么做由页表指出

补充下上图中的TLB：
参考：
https://blog.youkuaiyun.com/qq_34827674/article/details/124481706
我们从页表的性质来看，保存在内存中的页表承担的职责是将虚拟地址翻译成物理地址。假如虚拟地址在页表中找不到对应的页表项，计算机系统就不能工作了。所以页表一定要覆盖全部虚拟地址空间，不分级的页表就需要有 100 多万个页表项来映射，而二级分页则只需要 1024 个页表项（此时一级页表覆盖到了全部虚拟地址空间，二级页表在需要时创建）。我们把二级分页再推广到多级页表，就会发现页表占用的内存空间更少了，但是也带来了问题，即虚拟地址到物理地址的转换就多了几道转换的工序，这显然就降低了这俩地址转换的速度，也就是带来了时间上的开销，我们就可以利用这一特性，把最常访问的几个页表项存储到访问速度更快的硬件，于是计算机科学家们，就在 CPU 芯片中，加入了一个专门存放程序最常访问的页表项的 Cache，这个 Cache 就是 TLB（Translation Lookaside Buffer），通常称为页表缓存、转址旁路缓存、快表等。