信息安全系统设计基础 第15周学习总结
第九章 虚拟存储器
现代操作系统普遍采用虚拟存储器，说白了虚拟存储器是不真实存在的，是操作系统虚拟的，在磁盘上开辟的空间，该虚拟存储器可以在任何磁盘上。
一、基本原理
1、一个系统中的进程是与其他进程共享CPU和主存资源的。
2、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善交互，它为每个进程提供一个大的，一致的，私有地址空间。
通过一个清晰的机制，虚拟存储器提供了三个要重的能力：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，它高效的利用了主存；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；它保护每个进程的地址空间不被其他进程破坏。
3、物理和虚拟寻址
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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。每字节都有一个惟一的物理地址。第一个字节地址是0，接下来的字节地址为1，...
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早期的PC使用物理寻址，而且诸如数字信号处理器，嵌入式微控制器以及Cray超级计算机这样的系统仍然继续使用这种寻址方式。而为通用计算机设计师的现代处理器使用的是虚拟寻址。
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MMU（memory management unit，存储器管理单元），利用存放在主存中的查询表来动态翻译虚拟地址，该表的内容由OS管理。
4、地址空间
地址空间为非负整数地址的有序集合：｛0，1，2，...｝
如果地址是连续的，则称为线性地址空间。如果计算机有n位地址总线，在一个带有虚拟存储器的系统中，CPU从一个有N = 2n个地址的地址空间中生成虚拟地址，这个地址称为虚拟地址空间：｛0，1，2，...,N-1｝
物理地址空间，与物理存储器的M个字节相对应：｛0，1，2，...M-1｝。M不要求是2的幂。
允许每个数据对象（字节）有多个独立的地址（属性），其中每个地址都选自一个不同的地址空间，就是虚拟地址的基本思想。主存中的每字节都有一个选自虚拟地址空间的虚拟地址，和一个选自物理地址空间的物理地址。
5、虚拟存储器作为缓存的工具
概念上言，虚拟存储器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。每字节都有一个惟一的虚拟地址，这个惟一的虚拟地址是作为到数组的索引的。磁盘上数组的内容被缓存到主存中。和存储器层次结构中其他缓存一样，磁盘（较低层）上的数据被分成块，这些块作为磁盘和主存（较高层）之间的传输单元。VM系统通过将虚拟存储器分割成称为虚拟页（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 = 2p字节。类似地，物理存储器被分割成物理页（physical page,PP），大小也为P字节（物理页也被称为页帧，page frame）。
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在任意时刻，虚拟页面的集合都分为三个不相交的子集：
未分配的：VM系统还未分配或创建的页。未分配的块没有任何数据与它们相关联，因此也就不占用任何磁盘空间。 缓冲存：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。 -
因为大的不命中处罚和访问第一字节的开销，虚拟开销趋向于很大，典型地是4~8KB。由于大的不命中处罚，DRAM缓存是全相联的。也就是说，任何虚拟存储页都可以放置在任何的物理页中。DRAM缓存总是使用写回(write back)。
二、虚拟存储器
1、虚拟存储器提供了三个重要的能力：
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将主存看做是一个高速缓存，缓存最近使用的存放磁盘上的虚拟地址空间的内容，将虚拟地址与整个磁盘进行映射，主存中存储这种映射的页表，如果缺页，调入主存，存储器映射。
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为每一个进程提供了一致的地址空间，简化了连接、共享数据以及程序加载。
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保护每个进程的地址空间不被其他进程破坏。
2、在内存中，大体分为两种内容，除了给每个进程分配一定的虚拟地址之外，内存中还要维持一个内核虚拟存储器，在内核虚拟存储器中，包括与进程相关的数据机构（页表，任务结构等）、物理存储器和内核代码数据。在虚拟存储器中为每一个进程维持一个任务结构，以链表的形式表示进程的每一个区域。
3、页表将虚拟地址映射为物理地址，每个页表项(PTE)，有一个有效位，标识该地址是否在内存的缓存中，还有物理页号或磁盘地址。
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页命中，收到虚拟地址时，根据该虚拟地址查找页表，如果有效位有效，则说明在内存中，则利用该地址构造物理地址。
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缺页，如果地址不再页表中，则牺牲一条记录，加载进新的地址映射和内容。
4、在实际中，操作系统为每一个进程提供独立的页表，因此也是独立的虚拟地址空间，按需页面调度和独立的虚拟地址空间的结合，可以简化链接（可执行文件独立于物理存储器中代码和数据的最终位置，目标文件知道数据的相对位置，连接的时候，只需加上基地址即可）、简化加载（容易向存储器中加载可执行文件和共享对象文件，不需拷贝任何数据，虚拟存储器会自动按需调入数据页）、简化共享、简化存储器分配（只需虚拟地址连续即可，物理地址可以不连续）、保护工具（在PTE中，可以加许可位，控制对虚拟页面的访问）。
5、地址翻译
得到虚拟地址之后，分为两部分，前部分虚拟页号，后部分偏移地址，根据虚拟页号在页表中找到物理页号，偏移地址不变，直接物理页号和偏移地址构成物理地址。该模块位于cpu内。每次翻译虚拟地址时，都需要到内存访问页表，为了加快速度，在cpu内直接再弄一个缓存表，缓存TBE的内容，称为TLB。
6、翻译整个过程
地址翻译单元从虚拟地址中拿到虚拟页号，检查TLB，看是否存在TPE的缓存，如果有返回，若没有，查询主存的页表，页表可以实现多级，拿到物理页号，如没有产生中断，调入地址，内核重新发送解析指令，最终返回物理地址；得到物理地址之后，将物理地址发给L1缓存，L1没有L2、L3、主存。
7、存储器映射
将一个虚拟存储器区域与一个磁盘上的对象关联起来，以初始化这个虚拟存储器区域的内容，一旦一个虚拟页面被初始化了，他就在一个由内核维护的专门的交换文件之间换来换去。这个概念可以扩展到传统的文件系统，这样通过存储器的映射，高效的把数据加载到存储器中。
8、动态存储器分配
堆，分为显示分配(new)，隐式分配(垃圾回收)。
9、Malloc原理
根据系统的对齐策略，进行分配，可以重复使用已经释放的地址。由于对齐可能产生内部碎片，由于重复使用，可能产生外部碎片。至于消除碎片的方法有很多，可采取维护空闲列表，不同的放置、分割、合并策略，在分配的时候采取首次适配、下一次适配和最佳适配。
10、垃圾收集：
采用何种方式来辨别垃圾呐，系统采用的是图的方式进行，将存储器视为一张有向图，每个节点是根节点或堆节点，节点表示的一个分配块，如果在一个块中指向另一个块的某个位置，就连接，当存在一条从任意根节点出发并到达堆节点的有向路径时，视为可达，那些不可达的节点就是垃圾节点。再进行回收时，有两个阶段，标记和回收，标记垃圾节点，清除。
11、进程内存分布
参数、返回地址、bp、栈、共享、堆、bss：未初始化数据、data：全局，静态、代码段。
三、参考资料
学习体会
本周内容在操作系统和汇编课程上已经有所学习，页表的概念也不是那么难理解，缺页中断也都有所学习了。虽说是学习过了，但还是有一些原理没有完全的理解，过几天再看看书学习巩固一下。
