虛擬存儲(chǔ)器的工作原理 應(yīng)用程序如何使用和管理虛擬存儲(chǔ)器

進(jìn)程是系統(tǒng)中運(yùn)行的程序的一個(gè)實(shí)例，比如我們可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)QQ程序，同時(shí)用Office打開多個(gè)文檔等等，而系統(tǒng)展現(xiàn)給我們的多進(jìn)程界面其實(shí)是多個(gè)進(jìn)程交替共享CPU和主存資源。但是，共享會(huì)帶來直接的問題，比如：如果有很多進(jìn)程同時(shí)運(yùn)行所要求的存儲(chǔ)容量可能會(huì)超過我們的物理存儲(chǔ)器，導(dǎo)致其中某些運(yùn)行錯(cuò)誤；或者進(jìn)程修改了其他進(jìn)程的存儲(chǔ)器，也會(huì)導(dǎo)致直接的運(yùn)行錯(cuò)誤。所以，為了更好地管理存儲(chǔ)器，現(xiàn)代系統(tǒng)引入了虛擬存儲(chǔ)器，以作為實(shí)際主存的上一層抽象，使得所有進(jìn)程所占用的存儲(chǔ)空間獲得了一致的形式。這個(gè)方面主要有兩個(gè)主題：1.理解虛擬存儲(chǔ)器是如何工作的；2.應(yīng)用程序如何使用和管理虛擬存儲(chǔ)器。今天我們先來理解一下虛擬存儲(chǔ)器的工作原理。

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物理和虛擬尋址

物理尋址——計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主存被組織成一個(gè)由M個(gè)連續(xù)字節(jié)組成的數(shù)組，可以記為0，1，2，3.。.M-1，每一個(gè)都有確定的物理地址（Physical Address，PA），早期的CPU直接發(fā)送物理地址給主存獲取數(shù)據(jù)和指令。

虛擬尋址——現(xiàn)代系統(tǒng)CPU中集成了地址翻譯硬件（MMU），可以將CPU識(shí)別的虛擬地址（VA）翻譯為主存對(duì)應(yīng)的PA。

#引入虛擬存儲(chǔ)的一個(gè)好處就是，我們可以建立一個(gè){VA}---》{PA}的映射，使得虛擬存儲(chǔ)地址空間可以大于實(shí)際的地址空間#

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虛擬存儲(chǔ)器主要應(yīng)用——緩存工具

如同我們?cè)贑PU和主存間加入高速緩存一樣，系統(tǒng)也在主存和硬盤間加入虛擬存儲(chǔ)來減少數(shù)據(jù)傳遞的時(shí)間。Windows下的虛擬內(nèi)存就是一種虛擬存儲(chǔ)器。

&頁——虛擬存儲(chǔ)器（VM）與物理存儲(chǔ)器（PM）間數(shù)據(jù)交換的單位，虛擬頁存儲(chǔ)在磁盤上，物理頁緩存在DRAM（主存）中

&頁表——在物理存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)著頁表（數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)），這張頁表上記錄著虛擬頁到物理頁的映射，每條記錄稱之為頁表?xiàng)l目（Page Table Entry），基本格式為：有效位（1bit）+物理頁號(hào)或磁盤地址

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，CPU發(fā)送一個(gè)虛擬地址請(qǐng)求，在虛擬存儲(chǔ)器中的虛擬頁表上查找PTE，此時(shí)：

若匹配且有效位為“1”，則說明該數(shù)據(jù)已經(jīng)緩存在主存中，直接讀取之后的物理頁號(hào)獲得數(shù)據(jù)；

若匹配但有效位為“0”，說明數(shù)據(jù)在VM上但沒有存到PM上，這時(shí)需要替換掉PM上的一個(gè)頁，來獲得所要求的頁；

實(shí)際中，所有現(xiàn)代系統(tǒng)都采用按需進(jìn)行頁面調(diào)度的方式，即有請(qǐng)求才替換頁。

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虛擬存儲(chǔ)器主要應(yīng)用——存儲(chǔ)管理

直接的結(jié)果是，由于VM空間一般要大于PM空間，所以會(huì)出現(xiàn)共享PM空間地址的情況。比如進(jìn)程需要使用相同的內(nèi)核代碼，調(diào)用相同的系統(tǒng)函數(shù)，C標(biāo)準(zhǔn)庫中的函數(shù)。此時(shí)就可以多個(gè)進(jìn)程共享一部分地址空間。節(jié)省了多進(jìn)程的存儲(chǔ)空間要求。

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虛擬存儲(chǔ)器的主要應(yīng)用——存儲(chǔ)器保護(hù)

系統(tǒng)中有太多的數(shù)據(jù)不允許用戶隨便訪問和更改，比如進(jìn)程的只讀文本段，比如內(nèi)核中的代碼和數(shù)據(jù)，又比如其他進(jìn)程的私有存儲(chǔ)器。所以現(xiàn)代系統(tǒng)不約而同地為OS提供手段來控制存儲(chǔ)器系統(tǒng)的訪問。現(xiàn)實(shí)中可以在頁表中加入更多的有效位來控制對(duì)特殊頁面的讀寫操作，比如：

SUP位：是否只有超級(jí)用戶才有權(quán)限讀寫

READ：是否有讀權(quán)限

WRITE：是否有寫權(quán)限

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地址翻譯

CPU向存儲(chǔ)器發(fā)送的是虛擬地址，這允許CPU直接面對(duì)的是抽象的一致的存儲(chǔ)器對(duì)象。但是這就需要MMU進(jìn)行地址翻譯的工作。MMU會(huì)利用頁表基址寄存器來確定虛擬地址在虛擬頁表中的PTE，而后進(jìn)行PA的轉(zhuǎn)換。主要步驟如下：

1.CPU生成一個(gè)虛擬地址發(fā)送給MMU

2.MMU生成PTE地址，并從高速緩存/主存請(qǐng)求得到它

3.高速緩存/主存向MMU返回PTE（記錄）

4.判斷：

若PTE有效位為真，則MMU讀取PTE中的物理地址，并發(fā)送給高速緩存/主存

5.高速緩存/主存返回所請(qǐng)求的數(shù)據(jù)給CPU

若判斷PTE有效位為假或失效，

6.MMU觸發(fā)一次異常，控制轉(zhuǎn)交給CPU異?？刂铺幚沓绦?/p>

7.缺頁處理程序確定出PM中的犧牲頁，如果該頁已經(jīng)被修改，則寫回磁盤

8.將缺頁處理程序調(diào)入新的頁面，并更新存儲(chǔ)器中的PTE

9.缺頁處理程序返回---》4