清华 操作系统原理 （课程笔记）——虚拟内存

最新推荐文章于 2025-06-14 16:54:56 发布
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本文详细阐述了虚拟内存的起源、覆盖技术、交换技术以及虚拟页式内存管理，包括缺页中断处理过程，强调了如何在有限内存中高效运行大型程序，以及页面置换策略对性能的影响。

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清华 操作系统原理 （课程笔记）——虚拟内存

虚拟内存的起因

程序的大小不断增大远大于存储器容量增长的速度
理想中的存储器：更大、更快、更便宜的掉电保存的存储器。
在这里插入图片描述
把不常用的数据放在硬盘里，腾出空间给常用的程序运行。
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
手动覆盖技术：把不常用的放到硬盘，把常用的放在内存里
自动交换技术：把当前没运行的程序，copy到硬件中 ，需要的时候导回来。可以自动换，开销较大。

有没有可能做到只移动一部分数据？

结合分段和分页机制，只需移动小部分数据，减少开销。–自动的虚拟存储技术

提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

覆盖技术

目标：

是在较小的可用内存中运行较大的程序。常用于多道程序系统,与分区存储管理配合使用。

原理：

把程序按照其自身逻辑结构，划分为若干个

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参照B站上面的操作系统视频所写的笔记第三部分 ——非连续内存分配另外，在写笔记的过程中，也搬运了一些其他博客的内容，有些地方没有标注来源，如果原创作者觉得有任何问题都可以联系我，侵删。
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观看b站清华老师的《操作系统原理》课程，做下笔记，并做了补充。
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操作系统（清华大学）
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第1章 操作系统概述 1 1.1 认识操作系统 1 1.1.1 从使用者角度 1 1.1.2 从程序开发者角度 2 1.1.3 从操作系统在整个计算机系统中所处位置 2 1.1.4 从操作系统设计者的角度 3 1.2 操作系统的发展 4 1.2.1 操作系统的演变 4 1.2.2 硬件的发展轨迹 5 1.2.3 软件的轨迹 6 1.2.4 单内核与微内核操作系统 7 1.3 开放源代码的Unix/Linux操作系统 8 1.3.1 Unix的诞生和发展 8 1.3.2 Linux的诞生 9 1.3.3 操作系统标准POSIX 9 1.3.4 GNU和Linux 9 1.3.5 Linux的开发模式 10 1.4 Linux内核 10 1.4.1 Linux内核的位置 10 1.4.2 Linux内核的作用 11 1.4.3 Linux内核子系统 11 1.5 Linux内核源代码 13 1.5.1 多版本的内核源代码 13 1.5.2 Linux内核源代码的结构 13 1.5.3 Linux内核源代码分析工具 14 习题1 15 第2章 内存寻址 17 2.1 内存寻址简介 17 2.1.1 Intel x86 CPU寻址方式的演变 18 2.1.2 IA32寄存器简介 19 2.1.3 物理地址、虚拟地址及线性地址 21 2.2 分段机制 22 2.2.1 地址转换及保护 24 2.2.2 Linux中的段 24 2.3 分页机制 25 2.3.1 页与页表 25 2.3.2 线性地址到物理地址的转换 28 2.3.3 分页示例 28 2.3.4 页面高速缓存（cache） 29 2.3.5 Linux中的分页机制 30 2.4 Linux中的汇编语言 31 2.4.1 AT&T与Intel汇编语言的比较 31 2.4.2 AT&T汇编语言的相关知识 32 2.5 Linux系统地址映射示例 33 习题2 35 第3章 进程 37 3.1 进程介绍 37 3.1.1 程序和进程 37 3.1.2 进程的层次结构 38 3.1.3 进程状态 39 3.1.4 进程实例 40 3.2 进程控制块 41 3.2.1 进程状态 42 3.2.2 进程标识符 43 3.2.3 进程之间的亲属关系 43 3.2.4 进程控制块的存放 44 3.3 进程的组织方式 45 3.3.1 进程链表 45 3.3.2 散列表 46 3.3.3 可运行队列 47 3.3.4 等待队列 47 3.4 进程调度 48 3.4.1 基本原理 48 3.4.2 时间片 50 3.4.3 Linux进程调度时机 50 3.4.4 进程调度的依据 51 3.4.5 调度函数schedule()的实现 52 3.5 进程的创建 54 3.5.1 创建进程 55 3.5.2 线程及其创建 56 3.6 与进程相关的系统调用及其应用 58 3.6.1 fork系统调用 58 3.6.2 exec系统调用 59 3.6.3 wait系统调用 60 3.6.4 exit系统调用 62 3.6.5 进程的一生 63 3.7 与调度相关的系统调用及应用 63 习题3 65 第4章 内存管理 67 4.1 Linux的内存管理概述 67 4.1.1 虚拟内存、内核空间和用户空间 67 4.1.2 虚拟内存实现机制间的关系 69 4.2 进程用户空间的管理 70 4.2.1 进程用户空间的描述 71 4.2.2 进程用户空间的创建 74 4.2.3 虚存映射 76 4.2.4 进程的虚存区示例 76 4.2.5 与用户空间相关的系统调用 78 4.3 请页机制 79 4.3.1 缺页异常处理程序 79 4.3.2 请求调页 81 4.3.3 写时复制 83 4.4 物理内存的分配与回收 83 4.4.1 伙伴算法 85 4.4.2 物理页面的分配 86 4.4.3 物理页面的回收 88 4.4.4 slab分配模式 89 4.4.5 内核空间非连续内存区的分配 93 4.5 交换机制 95 4.5.1 交换的基本原理 95 4.5.2 页面交换守护进程kswapd 99 4.6 内存管理实例 99 4.6.1 相关背景知识 100 4.6.2 代码体系结构介绍 100 4.6.3 实现步骤 103 4.6.4 程序代码 103 习题4 108 第5章 中断和异常 110 5.1 中断的基本知识 110 5.1.1 中断向量 110 5.1.2 外设可屏蔽中断 111 5.1.3 异常及非屏蔽中断 112 5.1.4 中断描述符表 112 5.1.5 相关汇编指令 113 5.2 中断描述符表的初始化 114 5.2.1 IDT表项的设置 114 5.2.2 对陷阱门和系统门的初始化 115 5.2.3 中断门的设置 116 5.3 中断处理 116 5.3.1 中断和异常的硬件处理 116 5.3.2 中断请求队列的建立 117 5.3.3 中断处理程序的执行 119 5.3.4 从中断返回 121 5.4 中断的下半部处理机制 121 5.4.1 为什么把中断分为两部分来处理 122 5.4.2 小任务机制 122 5.4.3 下半部 124 5.4.4 任务队列 125 5.5 中断应用——时钟中断 125 5.5.1 时钟 125 5.5.2 时钟运作机制 126 5.5.3 Linux的时间系统 127 5.5.4 时钟中断处理程序 128 5.5.5 时钟中断的下半部处理 129 5.5.6 定时器及其应用 129 习题5 132 第6章 系统调用 133 6.1 系统调用与应用编程接口、系统命令、内核函数的关系 133 6.1.1 系统调用与API 133 6.1.2 系统调用与系统命令 134 6.1.3 系统调用与内核函数 134 6.2 系统调用处理程序及服务例程 135 6.2.1 初始化系统调用 136 6.2.2 system_call()函数 136 6.2.3 参数传递 137 6.2.4 跟踪系统调用的执行 139 6.3 封装例程 140 6.4 添加新系统调用 141 6.5 实例——利用系统调用实现一个调用日志收集系统 143 6.5.1 代码体系结构 143 6.5.2 把代码集成到内核中 146 6.5.3 实现步骤 148 习题6 148 第7章 内核中的同步 149 7.1 临界区和竞争状态 149 7.1.1 临界区举例 149 7.1.2 共享队列和加锁 150 7.1.3 确定保护对象 151 7.1.4 死锁 152 7.1.5 并发执行的原因 153 7.2 内核同步方法 153 7.2.1 原子操作 153 7.2.2 自旋锁 155 7.2.3 信号量 156 7.3 并发控制实例 157 7.3.1 内核任务及其并发关系 158 7.3.2 实现机制 158 7.3.3 关键代码解释 162 7.3.4 实现步骤 163 习题7 164 第8章 文件系统 165 8.1 Linux文件系统基础 165 8.1.1 Linux文件结构 165 8.1.2 Linux文件系统 166 8.1.3 文件类型 167 8.1.4 文件访问权限 168 8.2 虚拟文件系统 168 8.2.1 虚拟文件系统的引入 168 8.2.2 VFS中的数据结构 170 8.2.3 VFS超级块数据结构 171 8.2.4 VFS的索引节点 173 8.2.5 目录项对象 174 8.2.6 与进程相关的文件结构 176 8.2.7 主要的数据结构之间的关系 179 8.3 文件系统的注册、安装与卸载 180 8.3.1 文件系统的注册和注销 180 8.3.2 文件系统的安装 181 8.3.3 文件系统的卸载 183 8.4 页缓冲区 183 8.4.1 address_space对象 183 8.4.2 address_space对象的操作函数表 184 8.5 文件的打开与读写 185 8.5.1 打开文件 185 8.5.2 读写文件 187 8.6 编写一个文件系统 189 8.6.1 Linux文件系统的实现要素 189 8.6.2 什么是romfs文件系统 191 8.6.3 romfs文件系统的布局与文件结构 191 8.6.4 具体实现的对象 192 习题8 195 第9章 设备驱动 196 9.1 概述 196 9.2 设备驱动程序基础 198 9.2.1 I/O端口 199 9.2.2 设备文件 200 9.2.3 中断处理 201 9.2.4 设备驱动程序框架 203 9.3 字符设备驱动程序 204 9.3.1 字符设备驱动程序的注册 204 9.3.2 简单的字符设备驱动程序示例 205 9.4 块设备驱动程序 208 9.4.1 块设备驱动程序的注册 209 9.4.2 块设备请求 212 习题9 215 附录A 内核中的链表 216 A.1 链表数据结构简介 216 A.2 内核链表数据结构的定义及初始化 217 A.3 操作链表的接口 218 A.4 遍历链表 219 附录B 内核模块 221 B.1 什么是模块 221 B.2 编写一个简单的模块 221 B.3 模块编程的基础知识 222 B.4 模块的编译 224 B.5 模块实用程序modutils 226 附录C Linux内核编译 228 C.1 内核简介 228 C.2 为什么重新编译内核 228 C.3 内核编译模式 229 C.4 新版本内核的获取和更新 229 C.5 内核编译 230 C.6 修改并重启管理器 232 附录D Linux编程基础（C语言环境） 233 D.1 Linux编程常识 233 D.1.1 相关标准（ANSI C、POSIX、SVID、XPG） 233 D.1.2 函数库和系统调用 234 D.1.3 在线文档（man、info、HOWTO） 235 D.1.4 C语言编程风格 237 D.2 Linux上的C/C++编译器和调试器 238 D.2.1 运行gcc/egcs 238 D.2.2 gcc/egcs的主要选项 240 D.2.3 gdb简介 240 D.2.4 gdb的常用命令 241 D.2.5 gdb使用示例 242 D.3 GNU make和makefile 243 D.3.1 GNU make 243 D.3.2 makefile的基本结构 243 D.3.3 makefile的变量 244 D.3.4 GNU make的主要预定义变量 245 D.3.5 GNU make的隐含规则 245 D.3.6 运行make 246
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