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虚拟存储器 ¶

一个系统中的进程是与其他进程共享 CPU 和主存资源的。然而，共享主存会形成一些特殊的挑战。随着对 CPU 需求的增长，进程以某种合理的平滑方式慢了下来。但是如果太多的进程需要太多的存储器，那么它们中的一些就根本无法运行。当一个程序没有空间可用时，那就是它运气不好了。存储器还很容易被破坏。如果某个进程不小心写了另一个进程使用的存储器，它就可能以某种完全和程序逻辑无关的令人迷惑的方式失败。

为了更加有效地管理存储器并且少出错，现代系统提供了一种对主存的抽象概念，叫做虚拟存储器(VM)。虚拟存储器是硬件异常、硬件地址翻译、主存、磁盘文件和内核软件的完美交互，它为每个进程提供了一个大的、一致的和私有的地址空间。通过一个很清晰的机制，虚拟存储器提供了三个重要的能力：

它将主存看成是一个存储在磁盘上的地址空间的高速缓存，在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，通过这种方式，它高效地使用了主存。
它为每个进程提供了一致的地址空间，从而简化了存储器管理。
它保护了每个进程的地址空间不被其他进程破坏。

虚拟存储器是计算机系统最重要的概念之一。它成功的一个主要原因就是因为它是沉默地、自动地工作的，不需要应用程序员的任何干涉。

物理和虚拟寻址 ¶

计算机系统的主存被组织成一个由 M 个连续的字节大小的单元组成的数组。每字节都有一个唯一的物理地址(Physical Address, PA)。第一个字节的地址为 0，接下来的字节地址为 1，再下一个为 2，以此类推。给定这种简单的结构，CPU 访问存储器的最自然的方式就是使用物理地址。我们把这种方式称为物理寻址(physical addressing)。

现代处理器使用的是一种称为虚拟寻址(virtual addressing)的寻址形式：

地址空间 ¶

地址空间(address space)是一个非负整数地址的有序集合：{0, 1, 2, …}。如果地址空间中的整数是连续的，那么我们说它是一个线性地址空间(linear address space)。

地址空间的概念是很重要的，因为它清楚地区分了数据对象(字节)和它们的属性(地址)。

允许每个数据对象有多个独立的地址，其中每一个地址都选自一个不同的地址空间。这就是虚拟存储器的基本思想。

概念上而言，虚拟存储器(VM)被组织为一个由存放在磁盘上的 N 个连续的字节大小的单元组成的数组。每字节都有一个唯一的虚拟地址，这个唯一的虚拟地址是作为到数组的索引的。VM 系统通过将虚拟存储器分割为虚拟页(Virtual Page, VP)的大小固定的块来处理这个问题。每个虚拟页的大小为 P=2^p 字节。类似地，物理存储器被分割为物理页(Physical Page, PP)，大小也为 P 字节(物理页也称为页帧(page frame))。

在任意时刻，虚拟页面的集合部分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。未分配的块没有任何数据和它们相关联，因此也就不占用任何磁盘空间。
缓存的：当前缓存在物理存储器中的已分配页。
未缓存的：没有缓存在物理存储器中的已分配页。

DRAM高速缓存的组织结构 ¶

在存储层次结构中，DRAM 缓存的位置对于他的组织结构有很大的影响。DRAM 缓存的组织结构完全是由巨大的不命中开销驱动的。因为大的不命中处罚和访问第一字节的开销，虚拟页往往很大，典型地是 4KB-2MB。由于大的不命中处罚，DRAM 缓存是全相连的，也就是说，任何虚拟页都可以放置在任何的物理页中。不命中时的替换策略也很重要，因为替换错了虚拟页的出发也非常高。因此，与硬件对 SRAM 缓存相比，操作系统对 DRAM 缓存使用了更复杂精密的替换算法。最后，因为对磁盘的访问时间很长，DRAM 缓存总是使用写回(write back)，而不是直写。

页表 ¶

同任何缓存一样，虚拟存储器系统必须有某种方法来判定一个虚拟页是否存放在 DRAM 中的某个地方。如果是，系统还必须确定这个虚拟页存放在哪个物理页中。如果不命中，系统必须判断这个虚拟页存放在磁盘的哪个位置，在物理存储器中选择一个牺牲页，并将虚拟页从磁盘拷贝到 DRAM 中，替换这个牺牲页。

这些功能是由许多软硬件联合提供的，包括操作系统软、MMU(存储器管理单元)中的地址翻译硬件和一个存放在物理存储器中叫做页表(page table)的数据结构，页表将虚拟页映射到物理页。每次地址翻译硬件将一个虚拟地址转换为物理地址时都会读取页表。操作系统负责维护页表的内容，以及在磁盘与 DRAM 之间来回传送页。

下图展示了一个页表的基本组织结构。页表就是一个页表条目(Page Table Entry, PTE)的数组。虚拟地址空间中的每个页在页表中一个固定偏移量处都有一个 PTE。