Linux深入理解内存管理4-优快云博客

Linux深入理解内存管理4（基于Linux6.6）---虚拟内存管理

一、覆盖技术

覆盖技术主要用于早期的 OS 中(内存<64K)，可用于存储空间受限，某些大作业不能一次全
部装入内存，产生了大作业和小内存的矛盾。而覆盖技术就是解决这一矛盾，在较小的可用
内存中运行较大的程序。其基本的思路如下：

1.对于进程，不需要一开始就把程序的全部指令和数据装入内存中执行，常用功能的代码和数据常驻内存，不常用功能放在其他程序模块中,只在需要用到时装入内存。
2.程序划分为若干个功能上相对独立的程序段，按照程序逻辑结构让那些不需要同时执行的程序共享同一块内存区。
3.当有关程序段的先头程序已经执行结束后，再把后续程序段从外存调入内存覆盖前面的程序段。

程序员必须把一个程序划分成不同的程序段，并规定好它们的执行和覆盖顺序，例如如下实例中，设某进程的程序正文段由 A， B， C， D， E 和 F 等 6 个程序段组成。

由于程序段 B 不调用 C，程序段 C 也不调用 B，因此程序段 B 和 C 无需同时驻留在内存，它
们可以共享同一内存区。
同理，程序段 D、 E、 F 也可共享同一内存区。所以对于程序实际需要的内存空间是 190K，
而采用覆盖技术后，实际的地址空间只需要最少 100K 就可以了。
虽然覆盖技术可以解决小内存，大应用的问题，但是也存在它自身的局限性：

增加编程困难：需程序员划分功能模块，并确定模块间的覆盖关系，增加了编程的复杂度
增加执行时间：从外存装入覆盖模块，时间换空间
只能发生在没有调用关系的模块间，程序员须给出模块间的逻辑覆盖结构
发生在运行程序的内部模块间

这个技术对于编程人员的能力要求很高，同时如果程序过于复杂，出错可能性很大，最重要
的一点是，这个发生在运行程序的内部，那如果是程序间的空间大于内存空间，那么就会导
致无法解决小内存，大应用的问题。

二、交换技术

怎么更好地利用内存， UNIX 让 OS 管理而不是程序员管理，以运行的程序为单位。多道程序
在内存中时，让正在运行的程序或需要运行的程序有更多的内存资源。其基本思路如下：

可将暂时不能运行的程序送入外存中，从而获得空闲内存空间
换出（swap out）：把一个进程的整个地址空间保存到外存
换入（swap in）：将外存中某进程的地址空间读入到内存
换入换出的基本单位：整个进程的地址空间

对于交换技术，需要思考几下几个问题

交换时机的确定：何时需要发生交换？ -----只有当内存空间不够或者空间有不够使用的时候
交换区的大小：必须足够大以存放所有用户进程的所有内存映像的拷贝，必须能对这些内存映像进行直接存储
程序换入时重定位：必须采用动态地址映射的方法，保证程序换出后，再次换入的内存位置不需要在原来的位置。

总之，交换技术是以在内存中程序大小为单位进行，它不需要程序员给出各个模块间逻辑覆
盖结构，是由操作系统来完成。

三、局部性原理

那么什么是程序的局部性原理呢？
程序局部性原理：是指程序在执行时呈现出局部性规律，即在一段时间内，整个程序的执行
仅限于程序中的一部分。相应地，执行所访问的存储空间也局限于某个内存区域，具体的来
说，局限性通常有两种形式：
时间局限性：被引用过一次的存储器位置在未来会被多次引用（通常在循环中），一条指令
的一次执行和下次执行，一个数据的一次访问和下次访问都集中在一个较短时期内。
空间局限性：如果一个存储器的位置被引用，那么将来他附近的位置也会被引用，当前指令
和邻近的几条指令，当前访问的数据和邻近的几个数据都集中在一个较小区域内。

从理论上来说，虚拟存储技术是能够实现的，而且可取得满意的效果。下面我们以一个例子
不同程序编写方法的局部性特征，页面大小为 4K，分配给每个进程的物理页面数为 1。在一
个进程中，定义了如下的二维数组 int A[1024][1024]，采用下面两种方式：

对于如果内存空间不足，就可以采用这种分页加载的方式。

四、虚拟存储技术

随着技术的发展，覆盖和交换技术已经不能满足现实生活中的应用，虚拟存储技术就是优化
覆盖技术，系统自动完成，综合交换技术，进程的部分内容交换，并且利用程序局部性原理。

4.1、虚拟存储技术的概念

虚拟内存是指在具有层次结构存储器的计算机系统中，采用自动实现部分装入和部分交换功
能，为用户提供一个比物理主存容量大的多的可寻址的一种“主存储器”。它使用逻辑存储
器与物理存储器分离，是操作系统给用户提供的一个比真实内存空间大的多的地址空间。虚
拟存储的基本思路：将不常用的部分内存块暂存到外存，其基本原理如下：

基于局部性原理，装载程序时，只将当前指令执行需要的部分页面或段装入内存
指令执行中需要的指令或数据不在内存（称为缺页或缺段）时，处理器通知操作系统将相应的页面或段调入内存
如果内存空间不足，操作系统将内存中暂时不用的页面或段保存到外存

那么基于虚拟内存的原理，可以有以下三个主要特征：

多次性：无需再作业运行时一次性全部装入内存，而是允许被多次调入内存。
对换性：在作业运行时无需一直常驻内存，而是允许在作业运行过程中，将作业换入、换出
虚拟性：从逻辑上扩充了内存的容量，使用户看到的内存容量，远大于实际容量

那讲了那么多虚拟内存技术的概念，我们肯定会想怎么实现这个虚拟内存技术啊？虚拟内存
技术，允许一个作业分多次调入内存。如果采用连续分配方式，会很不方便实现（进程的地
址连续）。因此，虚拟内存的实现需要建立在离散分配的内存管理方式基础上，结合之前的
分段，分页，段页式管理，有以下几种方式

虚拟页式存储，基于传统分页存储管理
虚拟段式存储，基于传统分段存储管理
虚拟段页式存储，基于传统的段页式存储管理

4.2、虚拟页式存储管理

在页式存储管理的基础上，增加请求调页和页面置算法，就形成了现在的虚拟页式存储管理。
其基本的思路如下：

1.基于局部性原理，在程序装入时，可以将程序中很快会用到的部分装入内存，暂时用不到的部分留在外存，就可以让程序开始执行
2.在程序在执行过程中，当所需要的访问代码或数据不在内存时，则向系统发出缺页异常请求，操作系统在处理缺页异常时，将外存中相应的页面调入内存，使得进程能继续运行
3.当内存空间已满，而又需要装入新的页面时，则根据某种算法置换出某个页面，装入新的页面

在使用虚拟页式存储管理时需要在页表中增加以下表项：

页号—页面的编号。
有效位—又称驻留位、存在位或中断位，表示该页是在内存还是在外存。如果为 1，表示在内存中，页表项有效，可以访问，如果式，表示在外存，就需要产生缺页来将外存的数据替换到内存中
页框号—页面在内存中时所对应的内存块号。
访问位—又称引用位或参考位，表示该页在内存期间是否被访问过，页面置换算法时候会用到。
修改位—表示该页在内存中是否被修改过。回收时候，需要用此位来判断，是否要将内存的数据写回到外存
保护位—表示该页的访问方式，是否能读写执行。
禁止缓存位—采用内存映射 I/O 的机器中需要的位。

其基本的表示如下图：

其转换关系如下图：

对于转换关系，与页式存储管理的转换关系基本类似，只是加了一个步骤，通过页表完成逻辑页号到物理帧号的转换后，需要通过有效位来检测，该访问数据是否是有效的，如果该位有效，说明数据在内存中，直接访问就可以了；如果有效位为 0，说明该数据在外存中，就会产生一个缺页异常。

4.3、缺页异常处理流程

对于缺页异常的处理流程，还是结合上一章的例子来梳理下整个缺页异常的过程，当我们访问一个地址的时候，首先通过逻辑地址在页表中找，如果找不到或者找到了，但是其有效位是 0，那么就会产生一个缺页异常，其处理框图如下，我们来梳理下缺页异常需要做那些操作。

当产生缺页异常后，硬件就会通过 MMU 的机制在外存中寻找对应的页面，那么就会存在两
种情况，一种是页面中存在空闲页，一种情况是不存在空间页。

存在空闲页：在内存中有空闲物理页面时，分配一物理页帧 f，将需要访问的页 p 装入到物理页面 f，修改 p 的页表项驻留位为 1,物理页帧号为 f
不存在空闲页：依据页面置换算法选择将被替换的物理页帧 f，对应逻辑页 q，如 q 被修改过，则把它写回外存，将需要访问的页 p 装入到物理页面 f，修改 p 的页表项驻留位为 1,物理页帧号为 f

其处理流程如下图：

只有’ 写指令’ 才需要修改“修改位”，并且，一般来说只需要修改快表中的数据，只有将快表项删除时，才需要写回内存中，这样可以减小访问存储的次数
和普通的中断处理一样，缺页中断依然需要保留 CPU 现场
需要用某种置换算法来决定一个换出页面
换入/换出页面都需要启动慢速的 I/O 操作，可见，如果换入换出太频繁，会由很大的开销页面调入内存后，需要块表项

五、总结

1. 虚拟内存基本概念

虚拟地址空间：每个进程认为自己拥有从零开始的地址空间，操作系统通过将虚拟地址映射到物理地址来实现虚拟内存的管理。虚拟内存使得每个进程都能看到一个完整且连续的内存空间，避免了物理内存的限制和不同进程间的干扰。
物理内存与虚拟内存：操作系统通过硬件（如 MMU，内存管理单元）将虚拟地址映射到物理地址。虚拟内存的大小通常大于物理内存，允许进程超出实际物理内存的限制运行。