操作系统基础知识2
虚拟内存技术
内存管理是计算机系统内存管理技术的一种，是对主存的一种抽象概念。为每个进程提供了一个一致的、私有的地址空间。
- 为每个进程提供一致的地址空间，简化内存管理
- 保护每个进程的地址空间不被其他进程破坏，隔离了其他进程的地址访问
- 将主存看做是磁盘空间的高速缓存，主存中只保存活动区域，并根据需要在磁盘与主存之间传送数据
物理寻址与虚拟寻址
计算机主存可以看做是M个连续字节组成的数组。每个字节都有唯一的物理地址，最简单的访问内存方式就是物理寻址。
虚拟寻址：CPU通过虚拟地址访问主存，在访问之前虚拟地址会被MMU翻译为一个物理地址，然后再访问主存。
**虚拟地址空间：**虚拟内存技术中虚拟地址一般是4G, 这是因为地址是四个字节32位的，能表示的地址是4G
一个进程用到的虚拟地址其实不到4G。而用到的内存区域，会通过页表映射到物理内存。所以每个进程都可以使用同样的虚拟内存地址而不冲突，因为它们的物理地址实际上是不同的，有独立的地址空间，
虚拟地址空间分配
虚拟地址空间大小不需要和物理地址空间一样大小。
linux内核将虚拟地址空间分为两部分： 用户进程空间以及内核进程空间，两者比例3:1
- 对CPU来说，目标存储器是物理内存，使用高速缓存做物理内存的缓存
- 对虚拟内存来说，目标存储器是磁盘空间，使用物理内存做磁盘缓存。
CPU高速缓存
- 将进程指令使用的虚拟地址通过MMU转化为物理地址
- 将物理地址映射到高速缓存的缓存行
- 高度缓存命中就返回
- 不命中，产生缓存缺失中断，从主存相应物理地址取值，并加载到高速缓存中。CPU从中断恢复，继续执行中断前的指令
虚拟内存页表
虚拟内存系统需要判断一个虚拟页是否已经被缓存在内存中。
- 根据虚拟地址找到页表项
- 判断页表内是否记录物理地址
- 有的话，返回物理地址，表示已经被缓存在内存中
- 否则，触发缺页异常，然后从主存中选择一个牺牲物理页，将虚拟页从磁盘加载到主存中。
- 然后继续执行之前的指令。
页表：
每个进程都有一个页表，管理虚拟内存页与物理内存页的映射以及缓存状态。
页表加上MMU中的地址翻译硬件用于将虚拟地址翻译为物理地址。
页表的大小：
页表的大小等于页表项数* 页表项大小。 页表项数等于2^(地址位数-页内偏移位数）一般是2 ^ (32-12) = 2 ^ 20。
页表项的大小其实取决于内存块数，假设物理内存大小4G, 页大小4K, 同样也是 2^ 20，因此需要占用页表项的20个bit位，至少需要三个字节。
但是为了方便一个页存储整数个页表项，一般会将页表项大小变为4B
因此最终的页表大小为 2^20 * 4 B= 4M大小
多级页表：（节省空间）
采用一级页表的话，每个进程都需要4M大小的页表空间。
假设4G地址空间，使用4M大小的页，那么只需要10 ^ 3个页表项。每个页又细分为4KB大小的页，需要10 ^ 3个页表项指向子页。
也就是说一级页表项有1024项，每项对应一个二级页表， 4M地址空间。每个二级页表有1024项，每项对应实际4K页。 一级页表与二级页表自身大小都为4K。
页表项加载是按需加载，没有分配的虚拟页不需要建立页表项，一开始可以只建立一级页表项，二级页表项按需创建。
采用多级页表的地址翻译如下：
CPU翻译地址的过程：
- CPU页表基址寄存器，指向进程页表的基地址
- 根据实际的虚拟内存技术，将虚拟地址拆分为页内偏移以及虚拟页表号
- 页命中 缺页
- 将虚拟地址翻译成物理地址之后，根据高速缓存原理，将这个物理地址映射到高速缓存具体组、行、块中，找到实际数据。
快表（节省时间）
页表需要两次内存访问才能读取到数据，为了节省时间引入TLB。页表Cache，存储了当前最可能被访问的页表项，其内容是页表项的副本。
快表项由两部分组成 标识以及数据，标识存放虚地址一部分（判断是否命中），数据存放页号。
比如
标识存放 19-31 位， 数据存放 页号 13-31位。快表自身编号为 13-18位，64项
CPU根据虚拟地址找到快表号，然后比较标识判断命中，不命中时，去页表寻找物理页号，然后将页表项加载到TLB中。
全相连-直接匹配-组相连
- 全相连一个TLB表项可以与任意页表项关联 （空间利用率高，但匹配需要遍历）
- 直接匹配每个线性地址通过模运算找到唯一TLB表项（命空间利用率低，冲突率高）
- 组相连 将TLB表项分组，每个线性地址块对应的是一个组。地址转换的时候，计算线性地址块对应的组号，然后这个组内进行顺序比对
内存映射机制
虚拟内存的目标存储器是磁盘，初始化虚拟内存区域的内容时，会将虚拟内存区域与一个磁盘文件对象对应，这叫内存映射。
由于内存映射机制，一个磁盘对象可以被多个进程共享访问，也可以被私有访问。共享访问，进程修改会影响其他进程。私有访问，写时会复制一个新的对象，然后修改。
fork函数内容：
创建一个带有独立地址空间的新进程，内核为新进程创分配资源，例如存储数据以及代码空间，分配唯一PID，将当前进程的页表也拷贝给新进程。将原来进程所有值赋值到新的进程，之后的代码也拷贝到新进程。
两个进程共享同样区域，包含**共享的内存映射以及私有内存映射。**一般来说都是私有内存映射，写时拷贝，为新的进程维护独立虚拟地址空间