虚拟内存

简介

虚拟内存的由来

1.问题提出：
当直接让进程使用直接的物理内存时，当对物理内存操作时会出现混乱。比如进程A装在0-30的物理内层，在29处是一条ADD指令。而进程B装在30-40处第一条指令为JMP 29.没有使用虚拟内存的话，进程B将直接跳到进程A从而使两者程序都破坏掉。
2.解决办法：
有两种解决这个问题：一种通过基址寄存器和界线寄存器形成地址空间，通过交换技术解决内存超载。另外一种就是基于分页的虚拟地址技术。
1）交换技术：把一个进程完整调入内存运行一段时间，然后把他存回磁盘，空闲进程主要存储在磁盘上。缺点：当进程空间大于内存时，不能使用。
2）虚拟内存：把一个进程的一部分调入内存中运行，当内存没有空闲空间时，将新的覆盖旧的页，同时将旧 页写入磁盘。虚拟内存主要使用分页存储管理模式。

概念

虚拟存储器（Virtual Machine-VM）是值具有请求调入功能和置换功能,能从逻辑上对内存容量加以扩充的一种存储系统.

有了虚拟内存，操作系统中诸如进程间隔离, 文件缓存, 存储交换(swapping)等一系列高级的功能才得以实现.

虚拟内存管理分为

分页存储管理

页面是主存物理空间中划分出来的等长的固定区域
逻辑地址
逻辑页号
页内地址
逻辑地址由两部分组成：页号P和页内位移量W。
页面大小：页内地址从000000000000开始到2的y次方，y是页内位移量的位数

若给定一个逻辑地址为A，页面大小为L，则
页号P=INT[A/L]，页内地址W=A MOD L

地址变换
页号：虚拟地址（10进制）/页面大小（单位bit）
页内偏移：虚拟地址（10进制）%页面大小（单位bit）
物理页块号：查询页表–>存储的是页面对应的物理块
物理地址：物理块号*页面大小+ 页内偏移

分段存储管理

将用户程序地址空间分成若干个大小不等的段，每段可以定义一组相对完整的逻辑信息。存储分配时，以段为单位，段与段在内存中可以不相邻接，也实现了离散分配。
整个作业的地址空间是二维的。
绝对地址=根据段号找到段表中的起始地址+段内地址

段页式存储、

是分段式和分页式结合的存储组织方法，这样可充分利用分段管理和分页管理的优点
（不写了，明天再写）

MMU

内存管理单元,
实现虚拟内存系统的物理硬件基础
允许软件通过一个别名的地址跟物理地址建立映射，通常是多于一个
MMU再使用一部分内存，通过一系列的查找表(Table lookups)来翻译虚拟地址到物理地址的映射。

映射的实现

通过使用分页(pages)和分页表
建立全局段描述符表
分页表：分页表是一种数据结构，为使用电脑操作系统之虚拟内存技术，将 内存空间切割成分页的形式，用于储存虚拟内存及实体内存间的对应).

Zoned Buddy Allocator 暂译为:区域内存分配器

提供什么功能

负责整个虚拟内存系统分页存储管理
管理连续物理内存分页的链表映射到MMU的分页表(page tables)，
提供有效的物理地址—->为请求分配物理地址的系统
（物理地址到虚拟内存地址的映射是被虚拟内存系统较高层处理的）

物理分页怎么进入列表

被友内存分配器分类和分组进入列表

虚拟内存

允许执行进程的一部分在内存中,程序可以比物理内存大
将内存抽象成一个巨大的数组,程序员不受内存存储的限制
虚拟内存展现在程序员面前的是一个比物理内存要大得多的、地址连续的内存空间
事实上是映射到支离破碎的物理内存，乃至磁盘上。

二、按需调页

页需要用到的时才调入内存
需要硬件支持区分哪些页在内存，哪些在磁盘

怎么区分

采用有效/无效位来表示
当页表中，一个条目的该位为有效时，表示该页合法且在内存中；反之，可能非法，也可能合法但不在内存中。
进程试图访问这些尚未调入内存的页时，会引起页错误陷阱（page-fault trap）

怎么处理页面调度

1. 检查进程内部页表，确定该引用的合法性
2. 非法（在内存中），进程终止；否则进行调入
3. 找到一个空闲帧
4. 调度一个磁盘操作，将所需页调入刚分配的帧
5. 修改内部表和页表（有效无效位？），表示该页已在内存中
6. 重新开始因陷阱而中断的指令

从交换空间进行按需调页

磁盘IO到交换空间比到文件系统要快:
因为交换空间是按大块进行分配，并不使用文件查找和间接分配方法
进程开始时将整个文件镜像复制到交换空间，并从空间交换执行按页调度，那么有可能获得更好的性能。

从文件系统进行按需调页

三、写时复制

fork()出来的子进程，并不需要按需调页,与父进程共享页面,当子进程需要修改页的时候，才对该页复制一个副本，在副本上进行修改。是为写时复制

四、页面置换

进行页面置换的原因：

内存相对需求僧多粥少的局面：进程需要使用的页大于可分配内存IO缓存也需要使用大量的内存
导致 进程发生页错误的时候，操作系统准备好了要调入的所需页，却发现没有空闲帧可供分配。
以上情况使用页置换解决
方式
没有空闲帧，就查找当前没有使用的帧，将其释放，空出来保存进程出错的页（也就是需要换入的页）
换出的页有修改的话，还必须将页写回磁盘。可以通过设置修改位或脏位来提高性能

页置换算法：

2、FIFO页置换
FIFO使用的是页调入时间
为创建一个FIFO队列来管理内存中的所有页，队列中的首页被置换，而新调入的页到队尾。
3、最优置换
最优置换看重的是页将来使用的时间
置换最长时间不使用的页(预测其未来经过最长时间才被使用)
错误率最低。
难以实现
4、LRU页置换
根据过去来猜测未来
实现LRU算法，可用计数器，也可用栈：凡用过的页，就放到顶部，不用的就沉到栈底
5、近似LRU页置换
页表内的每个条目都关联一个引用位，每当引用一个页时，相应的引用位就被硬件置位
开始时清零,通过检查引用位，可以知道哪些页使用过而哪些没有
6、基于计数的页置换
为每个页设置一个计数器，形成两种方案
1)最不经常使用页置换算法（LFU)
置换计数最小页
2)最常使用页置换算法（MFU)
置换计数最大页
7、页缓冲算法
8、应用程序与页置换