系統(tǒng)內(nèi)存管理：虛擬內(nèi)存、內(nèi)存分段與分頁、頁表緩存TLB以及Linux內(nèi)存管理

虛擬內(nèi)存

虛擬內(nèi)存是一種操作系統(tǒng)提供的機(jī)制，用于將每個(gè)進(jìn)程分配的獨(dú)立的虛擬地址空間映射到實(shí)際的物理內(nèi)存地址空間上。通過使用虛擬內(nèi)存，操作系統(tǒng)可以有效地解決多個(gè)應(yīng)用程序直接操作物理內(nèi)存可能引發(fā)的沖突問題。

在使用虛擬內(nèi)存的情況下，每個(gè)進(jìn)程都有自己的獨(dú)立的虛擬地址空間，它們不能直接訪問物理內(nèi)存地址。當(dāng)程序訪問虛擬內(nèi)存地址時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換，將虛擬地址映射到物理地址上，這樣不同的進(jìn)程運(yùn)行時(shí)，寫入的是不同的物理地址，避免了互相覆蓋指針的問題。

虛擬內(nèi)存的使用使得每個(gè)進(jìn)程都可以擁有相同的虛擬地址空間，而不用擔(dān)心與其他進(jìn)程的地址沖突。操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理虛擬地址和物理地址之間的映射關(guān)系，并在需要時(shí)進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換。這樣，進(jìn)程可以以一種透明的方式訪問內(nèi)存，無需關(guān)心內(nèi)存的實(shí)際物理位置。

(資料圖片僅供參考)

通過虛擬內(nèi)存機(jī)制，操作系統(tǒng)能夠更好地管理系統(tǒng)內(nèi)存資源，提供更高的安全性和穩(wěn)定性。它可以為每個(gè)進(jìn)程提供獨(dú)立的地址空間，保護(hù)進(jìn)程間的數(shù)據(jù)隔離，同時(shí)也可以有效地利用物理內(nèi)存，將不常用的數(shù)據(jù)交換到磁盤上(交換區(qū))，以提供更大的可用內(nèi)存空間。

內(nèi)存分段

在分段機(jī)制下，虛擬地址由兩部分組成：段選擇子和段內(nèi)偏移量。段選擇子是一個(gè)索引，用于指定要訪問的段的起始地址和長度。段內(nèi)偏移量則表示在該段內(nèi)的具體位置。

操作系統(tǒng)會(huì)維護(hù)一個(gè)段表，其中包含了每個(gè)段的起始地址和長度信息。當(dāng)程序訪問一個(gè)虛擬地址時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)通過段選擇子從段表中找到對應(yīng)的段描述符，然后根據(jù)段描述符中的信息計(jì)算出物理地址。

具體的映射過程如下：

程序訪問虛擬地址，通過段選擇子找到對應(yīng)的段描述符。根據(jù)段描述符中的基址和長度信息，計(jì)算出段的起始物理地址。將段的起始物理地址與段內(nèi)偏移量相加，得到最終的物理地址。

不過，需要注意的是，分段機(jī)制可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存碎片的問題，因?yàn)椴煌蔚拇笮】赡懿煌?，?dǎo)致一些碎片化的空間無法被利用。當(dāng)不夠內(nèi)存分配的時(shí)候，會(huì)選擇使用內(nèi)存交換，先把一塊正在使用的內(nèi)存移到磁盤中，然后再移回來把中間留的內(nèi)存縫隙全用上，雖然解決了內(nèi)存碎片的問題，但是這個(gè)交換操作很慢，效率低，看下圖示：

虛擬內(nèi)存、分段和內(nèi)存交換似乎解決了同時(shí)運(yùn)行多個(gè)程序的問題，但仍存在性能瓶頸。由于硬盤訪問速度較慢，每次內(nèi)存交換都需要將大段連續(xù)的內(nèi)存數(shù)據(jù)寫入硬盤。因此，如果交換的是占用大量內(nèi)存空間的程序，整個(gè)系統(tǒng)會(huì)變得卡頓。

為了解決內(nèi)存分段的碎片和提高內(nèi)存交換效率，引入了內(nèi)存分頁機(jī)制。

內(nèi)存分頁

內(nèi)存分頁是將整個(gè)虛擬和物理內(nèi)存空間劃分為固定大小的連續(xù)內(nèi)存塊，稱為頁（Page）。在Linux下，每一頁的大小通常為4KB。虛擬地址與物理地址之間通過頁表進(jìn)行映射，頁表存儲在CPU的內(nèi)存管理單元（MMU）中，從而CPU可以直接通過MMU找到實(shí)際訪問的物理內(nèi)存地址。

虛擬地址與物理地址之間通過頁表來映射，如下圖：

由于內(nèi)存空間事先劃分為固定大小的頁，不會(huì)像分段機(jī)制那樣產(chǎn)生碎片。當(dāng)釋放內(nèi)存時(shí)，以頁為單位進(jìn)行釋放，避免了無法利用的小內(nèi)存塊。

如果內(nèi)存空間不足，操作系統(tǒng)會(huì)將其他正在運(yùn)行的進(jìn)程中的"最近未使用"的內(nèi)存頁面暫時(shí)存儲到硬盤上，稱為換出（Swap Out）。當(dāng)需要時(shí)，再將頁面加載回內(nèi)存，稱為換入（Swap In）。因此，每次寫入硬盤的是少量的一頁或幾頁，不會(huì)花費(fèi)太多時(shí)間，從而提高了內(nèi)存交換的效率。

簡單分頁

簡單分頁存在空間上的缺陷。在操作系統(tǒng)可以同時(shí)運(yùn)行大量進(jìn)程的情況下，頁表會(huì)變得非常龐大。在32位環(huán)境下，虛擬地址空間為4GB，假設(shè)頁的大小為4KB，就需要大約100萬個(gè)頁。每個(gè)頁表項(xiàng)需要4字節(jié)來存儲，所以整個(gè)4GB空間的映射需要4MB的內(nèi)存來存儲頁表。

盡管4MB的頁表看起來并不算太大，但要注意每個(gè)進(jìn)程都有自己的虛擬地址空間，也就是說每個(gè)進(jìn)程都有自己的頁表。如果有100個(gè)進(jìn)程，就需要400MB的內(nèi)存來存儲頁表，這對于內(nèi)存來說是相當(dāng)大的開銷，更不用說64位環(huán)境下了。

多級頁表

要解決上述問題，我們可以采用一種叫做多級頁表（Multi-Level Page Table）的解決方案。在之前我們已經(jīng)了解到，在32位環(huán)境下，頁大小為4KB的情況下，一個(gè)進(jìn)程的頁表需要存儲100多萬個(gè)頁表項(xiàng)，每個(gè)項(xiàng)占用4字節(jié)的空間，因此一個(gè)頁表需要4MB的內(nèi)存空間。

為了節(jié)省內(nèi)存空間，我們可以將單級頁表進(jìn)行分頁，將一個(gè)頁表（一級頁表）分為1024個(gè)頁表（二級頁表），每個(gè)二級頁表包含1024個(gè)頁表項(xiàng)，形成二級分頁結(jié)構(gòu)。這樣一級頁表覆蓋整個(gè)4GB的虛擬地址空間，而對于未使用的頁表項(xiàng)，不會(huì)創(chuàng)建對應(yīng)的二級頁表，只在需要時(shí)才創(chuàng)建。如下圖所示：

換個(gè)角度來看，大多數(shù)程序未使用到整個(gè)4GB的虛擬地址空間，因此部分頁表項(xiàng)是空的，沒有分配實(shí)際的內(nèi)存空間。在物理內(nèi)存緊張的情況下，操作系統(tǒng)會(huì)將最近一段時(shí)間未訪問的頁表換出到硬盤，從而釋放物理內(nèi)存。使用二級分頁，一級頁表只需要覆蓋整個(gè)4GB的虛擬地址空間，而未使用的頁表項(xiàng)不需要?jiǎng)?chuàng)建對應(yīng)的二級頁表。假設(shè)只有20%的一級頁表項(xiàng)被使用，那么頁表占用的內(nèi)存空間只有0.804MB，相比于單級頁表的4MB，內(nèi)存節(jié)約非常巨大。

為什么不分級的頁表無法實(shí)現(xiàn)這樣的內(nèi)存節(jié)約呢？從頁表的性質(zhì)來看，頁表保存在內(nèi)存中，其主要作用是將虛擬地址翻譯為物理地址。如果在頁表中找不到對應(yīng)的頁表項(xiàng)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將無法正常工作。因此，頁表必須覆蓋整個(gè)虛擬地址空間。而不分級的頁表需要100多萬個(gè)頁表項(xiàng)進(jìn)行映射，而二級分頁只需要1024個(gè)頁表項(xiàng)（一級頁表覆蓋整個(gè)虛擬地址空間，二級頁表在需要時(shí)創(chuàng)建）。

頁表緩存TLB（Translation Lookaside Buffer）

TLB（Translation Lookaside Buffer）是一個(gè)位于CPU芯片中的緩存，用于存儲程序中最常訪問的頁表項(xiàng)，以加快虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換速度。多級頁表雖然解決了空間上的問題，但是增加了轉(zhuǎn)換的工序，導(dǎo)致時(shí)間上的開銷。然而，由于程序的局部性原理，程序執(zhí)行期間通常僅限于某一部分，訪問的存儲空間也局限于某個(gè)內(nèi)存區(qū)域。因此，通過將最常訪問的頁表項(xiàng)存儲到TLB這個(gè)硬件緩存中，可以更快地進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換。

在CPU芯片中，內(nèi)存管理單元（Memory Management Unit）芯片負(fù)責(zé)處理地址轉(zhuǎn)換和TLB的訪問與交互。當(dāng)CPU進(jìn)行尋址時(shí)，首先會(huì)查找TLB，如果找到了對應(yīng)的頁表項(xiàng)，就可以直接進(jìn)行物理地址的訪問，避免了繼續(xù)查找常規(guī)頁表的開銷。

由于TLB中存儲的是程序最常訪問的幾個(gè)頁表項(xiàng)，所以TLB的命中率通常是很高的。這是因?yàn)槌绦驁?zhí)行過程中，訪問的頁表項(xiàng)相對固定。通過利用TLB，可以大大提高地址轉(zhuǎn)換的速度，加快程序的執(zhí)行效率。

Linux內(nèi)存管理

Linux內(nèi)存管理涉及邏輯地址和線性地址的轉(zhuǎn)換。邏輯地址是程序使用的地址，而線性地址是通過段式內(nèi)存管理映射的地址，也稱為虛擬地址。

Linux的虛擬地址空間分為內(nèi)核空間和用戶空間兩部分。32位系統(tǒng)中，內(nèi)核空間占用1G，剩下的3G是用戶空間；64位系統(tǒng)中，內(nèi)核空間和用戶空間都是128T，分別占據(jù)內(nèi)存空間的最高和最低處。如下所示：

進(jìn)程在用戶態(tài)時(shí)只能訪問用戶空間內(nèi)存，進(jìn)入內(nèi)核態(tài)后才能訪問內(nèi)核空間內(nèi)存。雖然每個(gè)進(jìn)程都有獨(dú)立的虛擬內(nèi)存，但虛擬內(nèi)存中的內(nèi)核地址關(guān)聯(lián)的是相同的物理內(nèi)存，這樣進(jìn)程切換到內(nèi)核態(tài)后就可以方便地訪問內(nèi)核空間內(nèi)存。

總結(jié)

虛擬內(nèi)存是操作系統(tǒng)提供的一種機(jī)制，通過將每個(gè)進(jìn)程分配的獨(dú)立的虛擬地址空間映射到實(shí)際的物理內(nèi)存地址空間上，解決了多個(gè)應(yīng)用程序直接操作物理內(nèi)存可能引發(fā)的沖突問題。虛擬內(nèi)存的使用使得每個(gè)進(jìn)程都可以擁有相同的虛擬地址空間，而不用擔(dān)心與其他進(jìn)程的地址沖突。通過虛擬內(nèi)存機(jī)制，操作系統(tǒng)能夠更好地管理系統(tǒng)內(nèi)存資源，提供更高的安全性和穩(wěn)定性。虛擬內(nèi)存的實(shí)現(xiàn)方式有分段和分頁，其中分頁機(jī)制更為常用，采用多級頁表的方式節(jié)約了內(nèi)存空間。頁表緩存TLB能夠加快虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換速度。Linux的內(nèi)存管理涉及邏輯地址和線性地址的轉(zhuǎn)換，將虛擬地址空間分為內(nèi)核空間和用戶空間，方便進(jìn)程訪問內(nèi)核空間內(nèi)存。

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