2024深入了解虚拟内存

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现代操作系统了提供了一种对主存的抽象概念，叫做虚拟内存。它为每个进程提供了一个非常大的，一致的和私有的地址空间。这里给大家分享一些关于深入了解虚拟内存，希望对大家能有所帮助。

概述

现代操作系统了提供了一种对主存的抽象概念，叫做虚拟内存。它为每个进程提供了一个非常大的，一致的和私有的地址空间。虚拟内存提供了以下的三个关键能力：

它将主存看成是一个存储在磁盘空间上的地址空间的高速缓存，主存中只保存活动区域，并根据需要在磁盘和主存之间来回传送数据。

它为内阁进程提供了一致的地址空间,简化了内存管理。

它保护了每个进程的地址空间不被其他进程破坏。

虚拟内存做为缓存的工具

在任意时刻，虚拟页面的集合都分为三个不相交的子集：

未分配的，VM 系统还未分配(或者创建)的页，未分配的页没有任何数据和它们关联，因此不占用任何内存空间。

缓存的，当前已缓存在物理内存中的已分配页。

未缓存的，未缓存在物理内存中的已分配页。

虚拟内存作为内存管理的工具

简化链接。独立的地址空间允许每个进程的内存映像使用相同的基本格式，而不管代码和数据实际存放在物理内存的何处。

简化共享。独立地址空间为操作系统提供了一个管理用户进程和操作系统自身之间共享的一致机制。一般情况下，每个进程都有自己私有的代码、数据、堆栈。这些内容不与其他进程共享。在这种情况下，操作系统创建页表，将相应的虚拟页映射到不连续的物理页面。

地址翻译

页面命中

上图中展示了页面命中的场景，CPU 硬件的执行步骤：

处理器 生成一个虚拟地址，并把它传送给 MMU。

MMU 生成 PTE 地址，并从高速缓存/主存中请求这个 PTE 。

高速缓存/主存向 MMU 返回 PTE。

MMU 构造物理地址，并把它传送给高速缓存/主存。

高速缓存/主存返回所请求的数据字给处理器。

页面命中是全部由硬件来处理的，既然有页面命中，那么就有页面不命中的场景。

页面不命中

上图展示了页面不命中的场景， CPU 硬件的执行步骤：

处理器 生成一个虚拟地址，并把它传送给 MMU。

MMU 生成 PTE 地址，并从高速缓存/主存中请求这个 PTE 。

高速缓存/主存向 MMU 返回 PTE。

PTE 中的有效控制位为 0 ，所以 MMU 触发了一次异常，传递 CPU 中的控制到操作系统内核中的缺页异常处理程序。

缺页处理程序确定出物理内存中的牺牲页，如果这个页面已经被修改了，则把它换出到磁盘。

缺页处理程序调入新的页面，并更新内存中的 PTE。

TLB 命中

我们来看看 TLB 命中的场景，

第 1 步 CPU 产生一个虚拟地址

第 2 和 3 步 MMU 从 TLB 中取出对应的 PTE 。

第 4 步 MMU 将这个虚拟地址翻译成一个物理地址，并且将它发送到高速缓存/主存。

第 5 步 高速缓存/主存将所请求的数据字返回 CPU。

TLB 不命中

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