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這篇文章是對《深入理解計算機系統(tǒng)》第九章的一個學(xué)習(xí)總結(jié)，可能一篇文章寫不下，我會分兩部分寫。

《深入理解計算機系統(tǒng)》這本書是工作室一位前輩推薦的。嗯，是本很好的底層入門的書籍。書的原名叫《Computer Systems:A Programmer’s Perspective》，感覺中文的翻譯不是很貼切。不過無所謂了。sa date開始咯?。ㄙu萌~）

我們知道，在編寫一個程序的時候，就好像這個程序在完全的單獨的使用內(nèi)存，雖然，事實不是這樣的，這是靠虛擬儲存器實現(xiàn)的。虛擬儲存器是現(xiàn)代操作系統(tǒng)對主存概念的抽象，是硬件異常、主存、磁盤文件和內(nèi)核軟件的完美交互。

虛擬儲存主要有三點主要的作用：

1. 它將主存看成了一個儲存在磁盤的地址空間的高速緩存，主存中只保留活動區(qū)域，并根據(jù)需要在主存和磁盤間來回交換數(shù)據(jù)
2. 它為每個進程提供了一致的地址空間，從而簡化了儲存器的管理。
3. 它保護了每個進程空間不受其他進程破化

我之所以直接寫虛擬儲存器有2個原因。第一點，虛擬儲存器在我看來是最重要的一個概念，對于二進制安全，我也認為這個概念及其重要（也可能我搞錯了，我還只是個菜雞^^）。第二點，我昨天剛剛看完這個。

物理和虛擬尋址

物理地址（Physical Address,PA）這個概念是不需要過多的解釋，就是指物理內(nèi)存的地址。虛擬地址（Virtual Address,VA）直觀的講，c語言里的指針?biāo)玫木褪翘摂M地址。虛擬地址就是一種儲存器的抽象。使用物理地址的尋址方式是物理尋址，使用虛擬地址的尋址方式的成為虛擬尋址。

地址空間

地址空間就是一個地址的數(shù)組，有虛擬地址空間和物理地址空間

虛擬儲存器作為緩存的工具

概念上來說，虛擬儲存器被組織為一個由存放在磁盤上N個連續(xù)的字節(jié)大小的單元組成的數(shù)組。每個字節(jié)都有唯一的虛擬地址。和儲存器的層次結(jié)構(gòu)的中的其他的緩存一樣，磁盤（較低層次）的數(shù)據(jù)被分割成塊，這些塊作為磁盤和主存（較高層次）之間的傳輸單元。VM系統(tǒng)將虛擬儲存器分割為稱為虛擬頁（Virtual Page,VP）的大小固定的塊。每個塊大小為P字節(jié)。物理儲存器也被分割為物理頁（Physical Page,PP）大小也是P字節(jié)。物理頁也被稱為頁幀（page frame）。

任意時刻，虛擬頁面都被分為三個不相交的子集：

未分配：VM系統(tǒng)還未分配（或者創(chuàng)建）的頁，不占用任何磁盤空間。

緩存的：當(dāng)前已緩存在物理儲存器中的已分配的頁

未緩存的：沒有緩存在物理儲存器中的已分配的頁。

我們用DRAM緩存來表示主存中對虛擬儲存器的緩存。我們知道DRAM比磁盤塊了1000000多倍（關(guān)于SRAM和DRAM的介紹，自行谷歌，不過我最近也會寫一個關(guān)于這個的簡單介紹），而SRAM比DRAM快了將盡10倍。所以，任何對DRAM的不命中都會招致很大的性能懲罰，是一巨大的開銷。因此，虛擬頁往往很大，典型是在4KB~2MB之間。由于大的不命中懲罰，DRAM也是全相連的。同時操作系統(tǒng)也對DRAM使用了精密的替換策略。

每個進程都有一個由頁表項（PTE）組成的頁表。先簡化一下概念。我把頁表項認為成一個有效位和其他的地址位組成的。

當(dāng)有效位是0的時候表示這一頁還不在主存中，他可能還沒創(chuàng)建或者沒有在內(nèi)存中，后面的地址位表示頁在磁盤的位置。當(dāng)有效位是1的時候，表示這一頁在內(nèi)存中，地址位表示這一頁的起始位置。當(dāng)cpu引用一個不在內(nèi)存中的頁的時候，會引發(fā)一個缺頁異常。內(nèi)核的缺頁處理程序?qū)M行處理。在磁盤和儲存器間的頁傳送活動叫交換（swapping）或者頁面調(diào)度（paging）。頁從磁盤換入（頁面調(diào)入）DRAM和從DRAM換出（頁面調(diào)出）磁盤。

此時，程序的局部性的作用就再次體現(xiàn)出來了。一個局部性差的程序，可能導(dǎo)致其工作集超過內(nèi)存的大小，導(dǎo)致頁面不斷換入換出，此時程序慢的像爬一樣，這種狀況叫做程序的顛簸（thrashing）

再談虛擬儲存器的作用

作為儲存器的管理工具

系統(tǒng)通過頁表把每月頁映射到內(nèi)存的頁上，簡化了鏈接、加載、共享以及儲存器的分配

作為儲存器的保護工具

任何現(xiàn)代計算機系統(tǒng)都必須為操作系統(tǒng)提供手段來控制對儲存器的訪問。每次地址的翻譯都需要PTE ，PTE上有各種控制位，如SUP位：為1時，只能內(nèi)核模式訪問。用戶態(tài)程序只能訪問SUP為0的頁。READ位和WRITE位控制對頁的讀和寫權(quán)限。如果一條指令違反了許可條件，cpu就觸發(fā)一個一般保護錯誤，將控制移交給內(nèi)核異常處理程序。Unix外殼一般講這種異常報告為段錯誤（segmentation fault）。

地址翻譯

先弄一個表

CPU芯片上有一個叫做儲存器管理單元（memory management unit，MMU）的硬件實時的翻譯虛擬地址為物理地址。一個虛擬地址由2部分組成，p位的虛擬頁面偏移（virtual page offset，VPO）和一個（n-p）位的虛擬頁號（virtual page number，VPN）組成。MMU根據(jù)VPN來選擇PTE。例如VPN0選擇PTE0.物理地址也是2部分組成的，物理頁面偏移（physical page offset，PPO）和VPO的位數(shù)是一樣的，物理頁號（physical page number，PPN）。CPU中還有一個控制寄存器，叫作頁表基址寄存器（page table base register，PTBR），這個寄存器儲存著頁表的地址，是一個進程的上下文。

頁面命中時：

• 第一步，處理器生成一個虛擬地址，給MMU
• 第二步，MMU生成PTE地址并從，高速緩存/主存中請求得到他。（PTBR+VPN）
• 第三步，高速緩存/主存向MMU返回PTE
• 第四步，MMU構(gòu)造物理地址，并將他傳給高速緩存/主存
• 第五步，返回所請求的數(shù)據(jù)

頁面未命中時：

• 第一至第三步是相同的
• 第四步，PTE有效位是0，MMU觸發(fā)了一次異常，控制傳遞給內(nèi)核異常處理程序。
• 第五步，缺頁處理程序確定出物理儲存器中的犧牲頁，如果這個頁面被修改了，則把他換出到磁盤上。
• 第六步，缺頁處理程序把頁面調(diào)入到新的頁面上，并更新PTE
• 第七步，返回到原來的進程，并重新執(zhí)行剛才的指令。

結(jié)合高速緩存的虛擬儲存器

現(xiàn)代操作系統(tǒng)使用了物理尋址來訪問高速緩存，關(guān)于是使用虛擬地址還是物理地址來訪問時存在爭論的。這是一種折中的方案（關(guān)于具體的書中沒有介紹）。

使用TLB加速地址訪問

現(xiàn)代計算機系統(tǒng)中在MMU中包含了一個緩存PTE的高速緩存翻譯后備緩沖器（translation lookaside buffer，TLB），以加速翻譯。

多級頁表

目前為止，我們只使用一級頁表，我們假設(shè)一個32位的地址空間，4KB的頁面和一個4字節(jié)的PTE，那么即使應(yīng)用所引用的只是虛擬地址的很小一部分，也需要4MB的頁表駐留在內(nèi)存，這是一種嚴重的浪費。對于64位系統(tǒng)，這將變的更復(fù)雜。

我們使用層次的頁表。我們使用一個二級頁表作為例子來解釋。

一級頁表負責(zé)映射虛擬空間中的一個4MB的片（chunk），每個片都是由1024個連續(xù)的頁組成的。假設(shè)4GB地址空間1024個片就可以覆蓋完整個地址空間。如果片i沒被分配，那么這片i就為空。

二級頁表每個PTE都負責(zé)映射一個4KB的虛擬儲存器頁面。

這樣有2個好處：

1. 如果一級PTE為空，那么整個對應(yīng)的二級頁表就不存在，這是一種巨大的節(jié)約
2. 只有一級頁表是需要常駐內(nèi)存的，其他的頁表可以在磁盤上，在需要時再換入內(nèi)存。

下圖描述了一個k級頁表結(jié)構(gòu)

inter core i7/linux儲存器系統(tǒng)

Core i7是基于Nehalem微體系結(jié)構(gòu)的。雖然Nehalem設(shè)計允許完全的64位虛擬地址和物理地址空間。而現(xiàn)在其實現(xiàn)支持48位（256TB）虛擬地址空間和52位（4PB）物理地址空間，還有一個兼容模式，支持32位（4GB）虛擬和物理地址空間。

下圖是Core i7的重要組成部分，頁的大小被配置為4KB和4MB。linux使用4KB的頁

Core i7的地址翻譯

下圖總結(jié)翻譯過程和第一、二、三級頁表結(jié)構(gòu)，Core i7采用4級頁表。雖然Core i7允許頁表換進換出，但與已分配內(nèi)存頁面相關(guān)的頁表都是在儲存器中的。CR3控制寄存器指向一級頁表的起始位置，是進程上下文的一部分。物理也是4KB對齊的。

第四級頁表

linux虛擬儲存系統(tǒng)

下圖是一個linux的虛擬儲存器

linux將儲存器組織成一些區(qū)域（也叫段）的集合。例如，代碼段，數(shù)據(jù)段，用戶棧等就分屬不同的區(qū)域（area）。不存在不屬于某個區(qū)域的虛擬頁，并且不能被進程引用。區(qū)域概念很重要，因為它允許虛擬地址空間有間隙。內(nèi)核不需要記錄那些不存在的虛擬頁，而這些不存在的虛擬頁也不占用任何資源。

下圖強調(diào)了一個記錄一個進程中虛擬存儲器的內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。內(nèi)核為系統(tǒng)中每個進程維護一個單獨的任務(wù)結(jié)構(gòu)（源代碼中的task_struct）。任務(wù)結(jié)構(gòu)中包含或者指向內(nèi)核運行該進程所需要的全部信息（PID，指向用戶棧的指針、可執(zhí)行目標(biāo)文件的名字以及程序計數(shù)器等）。

task_struct中有個條目指向mm_struct，它描述了儲存器當(dāng)前的狀態(tài)。我們感興趣的是pgd和mmap，pgd指向第一級頁表的基址，而mmap指向一個vm_area_structs（區(qū)域結(jié)構(gòu)）的鏈表，每個vm_area_structs都描述了當(dāng)前虛擬地址空間的一個區(qū)域。

• vm_start，指向這個區(qū)域的開始
• vm_end，這個區(qū)域的結(jié)束
• vm_prot，描述這個區(qū)域全部頁的讀寫權(quán)限
• vm_flags，描述這個區(qū)域是共享的還是私有的
• vm_next

linux缺頁異常處理程序

處理程序執(zhí)行下面的步驟

1. 虛擬地址是合法的嗎？根據(jù)vm_start和vm_end判斷
2. 試圖進行的儲存器訪問是否合法？根據(jù)控制位判斷
3. 進行處理

儲存器映射

linux下虛擬儲存區(qū)域可以映射到2種類型對象中的一種：

1. Unix文件系統(tǒng)中的普通文件
2. 匿名文件：匿名文件由內(nèi)核創(chuàng)建，包含的全部都是二進制零。CPU第一次引用這樣的頁時，內(nèi)核就找到一個犧牲頁，頁面被修改過就換出 ，然后用二進制零覆蓋整個頁。注意磁盤和儲存器間沒有任何數(shù)據(jù)傳送。也叫請求二進制零的頁（demand-zero page）。

無論何種情況，一旦一個虛擬頁面被初始化，它就在一個內(nèi)核維護的專門的交換文件（swap file）間換出換進。交換文件也叫交換區(qū)（swap area）。任何時候，交換區(qū)都限制著當(dāng)前運行著的進程能夠分配的虛擬頁面總數(shù)。

共享對象

共享對象對所有相關(guān)進程都可見的，同時對其的修改也會反映到磁盤上的原始對象上。

私有對象

私有對象是私有的，對其進行的寫是不會反映到原始的磁盤對象上的，私有對象使用了寫時拷貝的技術(shù)

好了，今天就到這里。最后雪雪亂入！

（虛擬儲存器是什么？能不能吃呀~~）（mukimuki）