深入理解计算机系统：虚拟存储器

现代操作系统普遍采用虚拟存储器，说白了虚拟存储器是不真实存在的，是操作系统虚拟的，在磁盘上开辟的空间，该虚拟存储器可以在任何磁盘上。

1、虚拟存储器提供了三个重要的能力：

  1.1、将主存看做是一个高速缓存，缓存最近使用的存放磁盘上的虚拟地址空间的内容，将虚拟地址与整个磁盘进行映射，主存中存储这种映射的页表，如果缺页，调入主存，存储器映射。

  1.2、  为每一个进程提供了一致的地址空间，简化了连接、共享数据以及程序加载。

  1.3、  保护每个进程的地址空间不被其他进程破坏。

2、在内存中，大体分为两种内容，除了给每个进程分配一定的虚拟地址之外，内存中还要维持一个内核虚拟存储器，在内核虚拟存储器中，包括与进程相关的数据机构（页表，任务结构等）、物理存储器和内核代码数据。在虚拟存储器中为每一个进程维持一个任务结构，以链表的形式表示进程的每一个区域。

3、页表将虚拟地址映射为物理地址，每个页表项(PTE)，有一个有效位，标识该地址是否在内存的缓存中，还有物理页号或磁盘地址。

  3.1、页命中，收到虚拟地址时，根据该虚拟地址查找页表，如果有效位有效，则说明在内存中，则利用该地址构造物理地址。

  3.2、缺页，如果地址不再页表中，则牺牲一条记录，加载进新的地址映射和内容。

4、在实际中，操作系统为每一个进程提供独立的页表，因此也是独立的虚拟地址空间，按需页面调度和独立的虚拟地址空间的结合，可以简化链接（可执行文件独立于物理存储器中代码和数据的最终位置，目标文件知道数据的相对位置，连接的时候，只需加上基地址即可）、简化加载（容易向存储器中加载可执行文件和共享对象文件，不需拷贝任何数据，虚拟存储器会自动按需调入数据页）、简化共享、简化存储器分配（只需虚拟地址连续即可，物理地址可以不连续）、保护工具（在PTE中，可以加许可位，控制对虚拟页面的访问）。

5、地址翻译：得到虚拟地址之后，分为两部分，前部分虚拟页号，后部分偏移地址，根据虚拟页号在页表中找到物理页号，偏移地址不变，直接物理页号和偏移地址构成物理地址。该模块位于cpu内。每次翻译虚拟地址时，都需要到内存访问页表，为了加快速度，在cpu内直接再弄一个缓存表，缓存TBE的内容，称为TLB。

6、翻译整个过程

地址翻译单元从虚拟地址中拿到虚拟页号，检查TLB，看是否存在TPE的缓存，如果有返回，若没有，查询主存的页表，页表可以实现多级，拿到物理页号，如没有产生中断，调入地址，内核重新发送解析指令，最终返回物理地址；得到物理地址之后，将物理地址发给L1缓存，L1没有L2、L3、主存。

7、存储器映射：将一个虚拟存储器区域与一个磁盘上的对象关联起来，以初始化这个虚拟存储器区域的内容，一旦一个虚拟页面被初始化了，他就在一个由内核维护的专门的交换文件之间换来换去。这个概念可以扩展到传统的文件系统，这样通过存储器的映射，高效的把数据加载到存储器中。

8、动态存储器分配：堆，分为显示分配(new)，隐式分配(垃圾回收)。

9、Malloc原理，根据系统的对齐策略，进行分配，可以重复使用已经释放的地址。由于对齐可能产生内部碎片，由于重复使用，可能产生外部碎片。至于消除碎片的方法有很多，可采取维护空闲列表，不同的放置、分割、合并策略，在分配的时候采取首次适配、下一次适配和最佳适配。

10、垃圾收集：采用何种方式来辨别垃圾呐，系统采用的是图的方式进行，将存储器视为一张有向图，每个节点是根节点或堆节点，节点表示的一个分配块，如果在一个块中指向另一个块的某个位置，就连接，当存在一条从任意根节点出发并到达堆节点的有向路径时，视为可达，那些不可达的节点就是垃圾节点。再进行回收时，有两个阶段，标记和回收，标记垃圾节点，清除。

11、进程内存分布

参数

返回地址

bp

栈

共享

堆

bss：未初始化数据

data：全局，静态。

代码段