计算机操作系统：虚拟内存

概述

• 为什么需要虚拟内存技术
  • 解决进程间的地址空间隔离问题，因为如果直接对物理地址进行操作，假设有两个进程，就可能会不小心访问到对方的物理地址，进行操作，使另一个进程崩溃掉。
  • 我们可以使用虚拟内存技术，为每个进程独立的划分一块虚拟内存，而虚拟内存会与物理内存建立起一种映射关系，而程序员也只需要关心这块虚拟内存，不用关心实际的物理内存。
    如图，两者是一一映射的。
    
  • 这里的虚拟内存并非真实存在的，进程所拥有的虚拟地址会通过 CPU 芯⽚中的内存管理单元MMU中的映射关系，来将其转换变成物理地址，然后再通过物理地址访问真实的内存。
  • 操作系统通过内存分段和内存分页来管理虚拟地址和物理地址。

内存分段

• 如何进行内存的分段
  • 一个进程可由多个不同的属性的内存的段组成，这其中包括代码分段、数据分段、栈段、堆段。
  • 虚拟地址和物理地址通过段表映射起来，每一个由两个部分组成，段选择子（保存在段寄存器中）和段内偏移量。CPU通过这两个元素，可以由虚拟地址得到物理地址。
    
• 内存分段存在什么问题
  • 内存碎片
    • 由于对于每个进程是一整段一整段的分配内存，内存中间可能产生不连续的小内存，而这些小内存的碎片化致使无法有整块的内存，应对新的进程的需要。
    • 可以通过内存交换来解决，将一些进程占用的内存，写回到磁盘，再装回内存之中，但是装回的时候不在原来的位置，而是和其他使用的内存紧挨着，来去除碎片化的内存。但由于内存分段极容易产生碎片化的内存，每次这样的操作，导致效率低。如过交换的内存很大，效率更低。
  • 内部内存浪费
    • 每次都把程序所有的内存都装载进来，但是有部分的内存并不经常使用，却一直占有着有限的资源，这就会导致内存的浪费。

内存分页

• 分页是指将物理内存和虚拟内存都划分成了大小相等的空间，每一个我们称之为页。在Linux中每一页的大小为 4KB 。内存分页和内存分段大概相同，它也是通过一个页表（存储在页表寄存器）来找到对应的物理内存。
• 内存分页如何解决上述两个问题
  • 内存分页并不会产生间隙小的内存，因为内存已被预先划分好，释放的内存也是以页为单位，不会产生无法给进程使用的小内存。
  • 如果内存空间不够，可以将最近使用少的的内存页面释放掉，写入硬盘中。需要的时候再加载进来。每次写⼊磁盘的页数并不多，相比内存分段一段一段的交换，要更加高效。
• 内存分页是如何分页的
  

多级分页

• 为什么使用多级分页
  • 因为我们需要给每个进程划分内存，而每个进程使用的页表必须涵盖了所有的内存的地址，否则当进程找不到地址时，就会停止运行。但由于操作系统运行的进程通常上百，每个进程都要存储完整的对应自己的页表，这样的存储内存对于有限的资源还是比较多的，这并不划算。
• 何为多级页表
  
  如图，更多的级数也是如此
• 如何节省了内存
  • 将一个页表划分成了两个，貌似也没有减少多少，但是我们所有的内存都能在一级页表被找到，而二级页表我们并不需要全部和一级页表对应起来，假设我们是32位的环境，每个进程对应的虚拟内存就是4G，我们的进程不会用到这么多，我们只需要在需要时将对应的二级页表创建起来就行了。

TLB

• 为什么需要TLB
  • 多级分页带来了操作程序上的复杂，进而带来了效率的降低，加大了时间上的开销。而TLB即为CPU 芯片中，⼀个专门存放程序最常访问的页表项的Cache。它可以与MMU进行交互。CPU在寻址的时候，会先查询TLB，如果没有，才会再去查询一般的页表。

段页式内存管理

• 如何实现段页式内存管理

  • 先将进程划分为多个段，然后再把每个段对应到一个页表上，也就是段被划分为多个页。
    

• 段页式管理是段式管理和页式管理相结合而成，具有两者的优点。

  • 在这里，内存分段和内存分页一样都是一种内存管理技术,分段是为了权限保护,而分页才是为了虚拟内存.
  • 分段后,程序员可以定义自己的段,各段有独立的地址空间
  • 如果错误的访问了不同的段，会因为段保护而导致出错，这实现了对该段的保护。