幾個(gè)概念
- 程序
存儲(chǔ)在磁盤上的文件手蝎，在執(zhí)行的時(shí)候加載如內(nèi)存 - 內(nèi)存
分為DRAM，和SRAM
DRAM：可以就看成我們買的內(nèi)存條
SRAM：可以就看是CPU中的一二三級(jí)緩存
虛擬內(nèi)存
好處：
- 將主存（DRAM）進(jìn)行抽象，通過(guò)分頁(yè)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)：主存中保存活動(dòng)的區(qū)域哥纫，并根據(jù)需要（缺頁(yè)異常和正常存取）在主存之間傳送數(shù)據(jù)酌予。高效的使用了主存
- 為進(jìn)城提供一直的地址空間磺箕，簡(jiǎn)化內(nèi)存管理，和程序的鏈接
- 保護(hù)每個(gè)進(jìn)城的地址空間不被其他進(jìn)程破壞抛虫。
程序和DRAM
DRAM可以看做是一個(gè)M個(gè)連續(xù)字節(jié)大小的數(shù)組松靡，每個(gè)字節(jié)都有唯一的地址：物理地址。
CPU直接訪問(wèn)DRAM使用物理地址的方式成為：物理尋址建椰。
早起程序使用物理尋址雕欺，但是目前大多使用虛擬尋址。目前仍有一些特殊的機(jī)器使用物理尋址棉姐。
虛擬尋址
指的是：CPU訪問(wèn)DRAM的地址不是物理地址屠列，稱為虛擬地址。需要由CPU中的內(nèi)存管理單元（MMU）將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址伞矩。然后MMU利用轉(zhuǎn)換得到的物理地址發(fā)給DRAM笛洛，DRAM將數(shù)據(jù)直接送給CPU。
虛擬內(nèi)存VM
在物理內(nèi)存上面抽象出的一層成為虛擬內(nèi)存乃坤，主要是用來(lái)管理物理內(nèi)存的苛让。
虛擬內(nèi)存對(duì)應(yīng)一個(gè)虛擬地址空間沟蔑，物理內(nèi)存對(duì)應(yīng)一個(gè)物理地址空間。也就是兩個(gè)M字節(jié)的連續(xù)數(shù)組狱杰。分別兩種尋址方式瘦材。
其中虛擬內(nèi)存中的某個(gè)地址對(duì)應(yīng)物理內(nèi)存中的某個(gè)地址，可以使一對(duì)多的關(guān)系仿畸。
虛擬頁(yè)
VM將內(nèi)存又劃分為很多的小塊食棕，每塊大4K，不固定错沽，可變簿晓，以后用P表示一個(gè)頁(yè)的大小，每個(gè)單位成為虛擬頁(yè)
同時(shí)物理內(nèi)存頁(yè)被分頁(yè)千埃，每個(gè)單位成為頁(yè)幀
虛擬內(nèi)存通過(guò)分頁(yè)機(jī)制達(dá)到將將程序的活動(dòng)部分加載進(jìn)內(nèi)存抢蚀。
可以理解為，將程序也按照每塊P大小分割镰禾，并不全部將程序加載進(jìn)內(nèi)存皿曲，而是在需要那一頁(yè)的時(shí)候，將這一頁(yè)加載進(jìn)內(nèi)存吴侦。（這里涉及到缺頁(yè)異常）
每個(gè)頁(yè)可能有如下三種不想交的狀態(tài)屋休，每個(gè)時(shí)刻只能有一種：
- 未分配
指的是，VM中的一頁(yè)备韧，并沒(méi)有被使用劫樟。所以這一虛擬頁(yè)沒(méi)有對(duì)應(yīng)的頁(yè)幀（物理內(nèi)存的一頁(yè)）。 - 未緩存
指的是织堂，虛擬頁(yè)被內(nèi)存使用叠艳，相當(dāng)于一個(gè)變量被聲明。但是還沒(méi)有定義易阳。所以附较，只是在VM中占用，但是還沒(méi)有分配頁(yè)幀潦俺。（沒(méi)有分配頁(yè)幀的意思是拒课，對(duì)應(yīng)的值沒(méi)有加載進(jìn)物理內(nèi)存） - 以緩存
值得是，VM中的虛擬頁(yè)事示，已經(jīng)連接到頁(yè)幀早像，同時(shí)也從磁盤中讀取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)的頁(yè)幀。
圖上說(shuō)是虛擬頁(yè)存儲(chǔ)在磁盤上肖爵？大哥卢鹦，主存是緩存，虛擬頁(yè)怎么可能比緩存慢劝堪。
頁(yè)表?xiàng)l目（Page Table Entry）維護(hù)了虛擬頁(yè)到頁(yè)幀的轉(zhuǎn)換冀自，由操作系統(tǒng)維護(hù)谁榜。
頁(yè)表?xiàng)l目存儲(chǔ)在物理內(nèi)存中。
頁(yè)表?xiàng)l目每一項(xiàng)由：有效位凡纳，和物理頁(yè)號(hào)組成。
有效位指的是：1該虛擬頁(yè)已經(jīng)指向頁(yè)幀（以緩存）帝蒿，0該虛擬頁(yè)沒(méi)有被使用或者已使用但是未指向頁(yè)幀（未分配和未緩存）荐糜。
物理頁(yè)號(hào)，指的是虛擬頁(yè)指向的頁(yè)幀地址葛超。
指向物理內(nèi)存的是以緩存暴氏，指向VP的是未緩存，NULL的代表未分配绣张。
除了有效位以外答渔，頁(yè)表中還可以存儲(chǔ)其他的信息，比如是否可讀之類的侥涵。
頁(yè)命中
命中可以理解成沼撕，當(dāng)CPU取數(shù)據(jù)的時(shí)候芜飘，能夠直接主存中獲取，成為命中嗦明。如果數(shù)據(jù)還沒(méi)有存進(jìn)主存成為未命中。
在虛擬內(nèi)存中娶牌，DRAM緩存不命中成為缺頁(yè)。
當(dāng)CPU讀取數(shù)據(jù)的時(shí)候回發(fā)生兩種情況：
1. 虛擬地址指向的表項(xiàng)PTE中有效位為0
可能是未緩存或者是未分配汹桦，這時(shí)候觸發(fā)一個(gè)缺頁(yè)異常！
linux下营勤，MMU試圖翻譯一個(gè)虛擬地址A時(shí)，觸發(fā)一個(gè)缺頁(yè)葛作。這個(gè)異常導(dǎo)致控制轉(zhuǎn)移到內(nèi)核的缺頁(yè)處理程序：：
- 確認(rèn)A地址是合法。
缺頁(yè)處理程序搜索區(qū)域結(jié)構(gòu)的鏈表猖凛，把A和每個(gè)區(qū)域結(jié)構(gòu)中的vm_start和vm_end做比較赂蠢。如果指令不合法，發(fā)生一個(gè)段錯(cuò)誤segmatation fault,結(jié)束程序辨泳。
因?yàn)锳地址可能是個(gè)函數(shù)虱岂，或是堆上或是棧上數(shù)據(jù)玖院，所有要每個(gè)都搜索。 - 地址合法的情況下第岖，確認(rèn)是否有權(quán)限
也就是难菌，進(jìn)城是否又讀寫或執(zhí)行該區(qū)域內(nèi)頁(yè)幀的權(quán)限。 - 權(quán)限合法的情況下蔑滓，加載進(jìn)主存
當(dāng)物理內(nèi)存未滿的情況下郊酒，可能是直接找個(gè)空閑的地方加載頁(yè)幀。（不知道啊键袱。書上都沒(méi)寫燎窘。可能是這樣）
否則蹄咖，缺頁(yè)處理程序在物理內(nèi)存中選擇一個(gè)犧牲頁(yè)褐健，然后，如果該犧牲也被修改過(guò)了澜汤，那么將頁(yè)幀內(nèi)容寫會(huì)磁盤蚜迅。然后將新的磁盤內(nèi)容加載進(jìn)頁(yè)幀。同時(shí)更新頁(yè)表俊抵。
當(dāng)缺頁(yè)處理程序返回的時(shí)候慢叨，CPU重新啟動(dòng)引起缺頁(yè)的指令，這時(shí)候A已經(jīng)是以緩存的务蝠。正常讀取拍谐。
選擇犧牲頁(yè)，應(yīng)該是又算法的馏段，局部性原理轩拨。
其中在第一部搜索接受的時(shí)候，結(jié)構(gòu)是這樣的：
缺頁(yè)之前：
缺頁(yè)處理程序返回之后：
當(dāng)我工作集超出了物理內(nèi)存的大小院喜，會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)亡蓉，頁(yè)面將不斷的換進(jìn)換出。
虛擬頁(yè)與共享庫(kù)
當(dāng)多個(gè)程序調(diào)用同一個(gè)共享庫(kù)時(shí)喷舀，程序沒(méi)必要為每一個(gè)程序加載一次共享庫(kù)硫麻。
而是不同程序的虛擬頁(yè)指向同一頁(yè)幀拿愧。
產(chǎn)生了多對(duì)一的情形：
不同程序的虛擬頁(yè)對(duì)應(yīng)同一頁(yè)幀
頁(yè)面調(diào)度和虛擬地址空間的結(jié)合有點(diǎn)：
- 簡(jiǎn)化程序鏈接
每個(gè)程序可以采用相同基本格式，從同一虛擬地址開(kāi)始唾戚。 - 簡(jiǎn)化加載
當(dāng)程序加載進(jìn)內(nèi)存的時(shí)候叹坦，只需要分配虛擬頁(yè)募书，而不必加載進(jìn)頁(yè)幀。當(dāng)需要的時(shí)候毕箍，發(fā)生缺頁(yè)異常而柑，然后加載。按需加載粹排。 - 簡(jiǎn)化共享
方便共享庫(kù)的加載顽耳。 - 簡(jiǎn)化內(nèi)存分配
在虛擬地址空間中連續(xù)的地址妙同，在物理地址空間中不一定連續(xù)粥帚。
也就是程序在堆棧中分配的地址芒涡，在物理空間中可能并不是連續(xù)的。
地址翻譯過(guò)程
- 處理器生成虛擬地址傳送給MMU
- MMU生成PTE地址赠群，并從主存或高速緩存請(qǐng)求乎串，去訪問(wèn)的是頁(yè)表?xiàng)l目叹誉。應(yīng)該是將整一項(xiàng)返回給MMU
- 高速緩存（查找頁(yè)表?xiàng)l目）以后返回一項(xiàng)給MMU
命中情況下
- MMU根據(jù)返回的PTE（此時(shí)PTE的有效位為1)構(gòu)造物理地址长豁，再次發(fā)送給主存
- 主存直接讀取數(shù)據(jù)匠襟，發(fā)送給CPU
缺頁(yè)
- PTE有效位為0酸舍，MMU觸發(fā)缺頁(yè)異常。CPU中的控制轉(zhuǎn)移到內(nèi)核中的缺一處理程序
- 確定犧牲頁(yè)忽舟，替換叮阅。缺頁(yè)處理程序更新PTE
- 確立處理程序返回浩姥，CPU再次執(zhí)行導(dǎo)致缺頁(yè)的程序
TLB緩存
CPU每次請(qǐng)求状您，MMU都去查找一次過(guò)于浪費(fèi)膏孟。
因此MMU中有一個(gè)翻譯后背緩沖器（Tanslation Lookaside Buffer）
在上面的第2部時(shí)。變?yōu)椋篗MU去查找TLB颗搂，如果沒(méi)查找到幕垦，再去主存中查找頁(yè)表?xiàng)l目先改。返回后跟新TLB仇奶。
頁(yè)表分級(jí)
暫時(shí)不是很懂。不過(guò)有點(diǎn)理解吧
二. linux虛擬內(nèi)存系統(tǒng)
execve函數(shù)
調(diào)用execve函數(shù)以后執(zhí)行以下步驟
- 刪除已存在的用戶區(qū)域
刪除當(dāng)前進(jìn)程虛擬地址中用戶部分已存在的結(jié)構(gòu)别惦，.text掸掸，.data等 - 映射私有區(qū)域
為因程序的代碼扰付，數(shù)據(jù)仁讨，bss和站區(qū)域創(chuàng)建新的結(jié)構(gòu)洞豁。
這些區(qū)域都是私有的，代碼區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)映射對(duì)應(yīng)文件的.text闰挡，.data礁哄。而.bss映射到匿名文件桐绒，其大小保存在要執(zhí)行的文件中茉继。 - 映射共享區(qū)域
如果要執(zhí)行的程序調(diào)用了共享庫(kù)之類的烁竭，那么需要將這些庫(kù)映射到用戶虛擬空間中的共享區(qū)域派撕。 - 設(shè)置程序計(jì)數(shù)器（PC）
最后一件事情是設(shè)置進(jìn)程上下文中的程序計(jì)數(shù)器终吼，使其指向代碼區(qū)域的入口點(diǎn)。
圖中請(qǐng)求二進(jìn)制0的地方，為映射到匿名文件
mmap()。
動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配
分配器指的是new,delete,malloc,free這些良姆。
分為顯示分配器歇盼，如上面的四個(gè)豹缀，也就是需要用戶手動(dòng)釋放
隱式分配器也就是垃圾收集器慨代，比如java等語(yǔ)言。
malloc實(shí)現(xiàn)
#include <stdlib.h>
void *malloc(size_t size);
返回一個(gè)void *指針氮惯，可以隱式轉(zhuǎn)化為任意類型妇汗。
其分配的塊總是對(duì)其的说莫。32下為8的倍數(shù)储狭，64位下是16的倍數(shù)辽狈。
malloc并不初始化其分配的內(nèi)存，calloc初始化驮配。
malloc的實(shí)現(xiàn)壮锻，基于mmap()和sbrk()躯保。
#include <unistd.h>
void *sbrk(intptr_t incr);
以后補(bǔ)
