内存管理(二)

分页

概述

第一种是将空间分割成不同长度的分片，就像虚拟内存管理中的分段。遗憾的是，这个解决方法存在固有的问题。具体来说，将空间切成不同长度的分片以后，空间本身会碎片化（fragmented），随着时间推移，分配内存会变得比较困难。

因此，值得考虑第二种方法：将空间分割成固定长度的分片。在虚拟内存中，我们称这种思想为分页。

分页不是将一个进程的地址空间分割成几个不同长度的逻辑段（即代码、堆、段），而是分割成固定大小的单
元，每个单元称为一页。相应地，我们把物理内存看成是定长槽块的阵列，叫作页帧（pageframe）。每个这样的页帧包含一个虚拟内存页。

组成部分

image-20230328095945964

为了记录地址空间的每个虚拟页放在物理内存中的位置，操作系统通常为每个进程保存一个数据结构，称为页表（page table）。页表的主要作用是为地址空间的每个虚拟页面保存地址转换（address translation），从而让我们知道每个页在物理内存中的位置。为了转换（translate）该过程生成的虚拟地址，我们必须首先将它分成两个组件：虚拟页面号（virtual page number，VPN）和页内的偏移量（offset）。

有效位（valid bit）通常用于指示特定地址转换是否有效。

我们还可能有保护位（protection bit），表明页是否可以读取、写入或执行。同样，以这些位不允许的方式访问页，会陷入操作系统。还有其他一些重要的部分，但现在我们不会过多讨论。

存在位（present bit）表示该页是在物理存储器还是在磁盘上（即它已被换出，swapped out）。

参考位（reference bit，也被称为访问位，accessed bit）有时用于追踪页是否被访问，也用于确定哪些页很受欢迎，因此应该保留在内存中。这

快速地址转换（TLB）

因为这些映射信息一般存储在物理内存中，所以在转换虚拟地址时，分页逻辑上需要一次额外的内存访问。每次指令获取、显式加载或保存，都要额外读一次内存以得到转换信息，这慢得无法接受。

我们要增加所谓的地址转换旁路缓冲存储器（translation-lookaside buffer），它就是频繁发生的虚拟到物理地址转换的硬件缓存（cache）。因此，更好的名称应该是地址转换缓存（address-translation cache）。

对每次内存访问，硬件先检查TLB，看看其中是否有期望的转换映射，如果有，就完成转换（很快），不用访问页表（其中有全部的转换映射）。

大体流程：

  1. 从虚拟地址中提取页号（VPN）

  2. 然后检查TLB 是否有该VPN 的转换映射。

    • 如果有，我们有了TLB 命中（TLB hit），这意味着TLB 有该页的转换映射。成功！接下来我们就可以从相关的TLB 项中取出页帧号（PFN），与原来虚拟地址中的偏移量组合形成期望的物理地址（PA），并访问内存，假定保护检查没有失败。

    • 如果CPU 没有在TLB 中找到转换映射（TLB 未命中），我们有一些工作要做。在硬件访问页表来寻找转换映射，并用该转换映射更新TLB，假设该虚拟地址有效，而且我们有相关的访问权限。当TLB 更新成功后，系统会重新尝试该指令，这时TLB 中有了这个转换映射，内存引用得到很快处理。

TLB的组成：

image-20230329092645174

  • VPN：虚拟帧号
  • PEN：物理帧号
  • TLB 通常有一个有效（valid）位：用来标识该项是不是有效地转换映射。
  • 一个地址空间标识符（Address Space Identifier，ASID）：用于进程切换使用。
  • 通常还有一些保护（protection）位：用来标识该页是否有访问权限。例如，代码页被标识为可读和可执行，而堆的页被标识为可读和可写。
  • 脏位（dirty）：表示该页是否被写入新数据。
  • 全局位（Global，G）：用来指示这个页是不是所有进程全局共享的。
  • 一致性位（Coherence，C）：决定硬件如何缓存该页。

替换策略：

  • 一种常见的策略是替换最近最少使用（least-recently-used，LRU）的项。LRU尝试利用内存引用流中的局部性，假定最近没有用过的项，可能是好的换出候选项。
  • 另一种典型策略就是随机（random）策略，即随机选择一项换出去。

较小的表

我们现在来解决分页引入的第二个问题：页表太大，因此消耗的内存太多。段增加了几个位，标识程序是否能够读写该段，或执行其中的代码。

解决方案：

  1. 更大的页：减小页表大小：使用更大的页。这种方法的主要问题在于，大内存页会导致每页内的浪费，这被称为内部碎片（internalfragmentation）问题（因为浪费在分配单元内部）。
  2. 混合方法：分页和分段：解决上述问题的办法是使用分页和分段混合使用，这样就解决了内部碎片的问题了。但是这种杂合导致外部碎片再次出现。
  3. 多级页表：能够离散的分布在内存中，解决了混合方法的外部碎片问题。
  4. 反向页表：一般被视为使用正常的系统内存的TLB的片外扩展。与真正的页表不同，它不需要容纳所有的映射。其中的项代表系统的每个物理页，而不是有许多页表（系统的每个进程一个）。页表项告诉我们哪个进程正在使用此页，以及该进程的哪个虚拟页映射到此物理页。（个人理解为：只存了当前正在运行的所有进程所使用的页地址）