MMU内存管理
MMU内存管理
1.MMU简述
MMU的工作原理可以简化为以下几个步骤：
- CPU发出虚拟地址。
- MMU使用虚拟地址中的关键位来索引映射表中的条目，并确定哪个内存块被访问。
- 虚拟地址通过MMU转换为物理地址。
- 物理地址被送到内存地址总线上，完成内存访问。
2.MMU的功能
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地址转换
MMU的主要功能之一是进行地址转换。在计算机系统中，程序使用的地址是逻辑地址，而物理内存的地址是实际的硬件地址。MMU通过使用页表等数据结构，将逻辑地址转换为物理地址，使程序能够正常访问内存中的数据。
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虚拟内存管理
虚拟内存是一种将物理内存和辅助存储器（如硬盘）结合起来使用的技术。MMU通过使用页表和页面置换算法，实现了虚拟内存的管理。它可以将部分程序或数据存储在硬盘上，只在需要时才将其调入内存，从而有效地扩展了可用内存的大小。 -
内存保护
MMU还负责实现内存的保护机制。通过使用页表中的权限位或段表中的段描述符，MMU可以对内存进行细粒度的保护。例如，它可以阻止用户程序访问操作系统的关键数据结构，从而提高系统的安全性。 -
高速缓存管理
现代计算机系统通常配备了多级高速缓存，用于提高内存访问的速度。MMU负责管理高速缓存中的数据，包括缓存的写入与读取，以及缓存命中与失效的处理。通过优化高速缓存的使用，MMU可以显著提高计算机系统的性能。
3.内存分段与分页
主要有两种方式，分别是内存分段和内存分页，分段是比较早提出的。
3.1内存分段
程序是由若干个逻辑分段组成的，如可由代码分段、数据分段、栈段、堆段组成。不同的段是有不同的属性的，所以就用分段（Segmentation）的形式把这些段分离出来。
分段机制下的虚拟地址由两部分组成，段选择因子和段内偏移量。
- 段选择子就保存在段寄存器里面。段选择子里面最重要的是段号，用作段表的索引。段表里面保存的是这个段的基地址、段的界限和特权等级等。
- 虚拟地址中的段内偏移量应该位于 0 和段界限之间，如果段内偏移量是合法的，就将段基地址加上段内偏移量得到物理内存地址。
虚拟地址是通过段表与物理地址进行映射的，分段机制会把程序的虚拟地址分成 4 个段，每个段在段表中有一个项，在这一项找到段的基地址，再加上偏移量，于是就能找到物理内存中的地址，如下图：
如果要访问段 3 中偏移量 500 的虚拟地址，我们可以计算出物理地址为，段 3 基地址 7000 + 偏移量 500 = 7500。分段的办法很好，解决了程序本身不需要关心具体的物理内存地址的问题，但它也有一些不足之处：
- 第一个就是内存碎片的问题。
- 第二个就是内存交换的效率低的问题。
3.1.1分段的不足
分段为什么会产生内存碎片的问题
我们来看看这样一个例子。假设有 1G 的物理内存，用户执行了多个程序，其中：
- 游戏占用了 512MB 内存
- 浏览器占用了 128MB 内存
- 音乐占用了 256 MB 内存。
这个时候，如果我们关闭了浏览器，则空闲内存还有 1024 - 512 - 256 = 256MB。
如果这个 256MB 不是连续的，被分成了两段 128 MB 内存，这就会导致没有空间再打开一个 200MB 的程序。
这里的内存碎片的问题共有两处地方：
- 外部内存碎片，也就是产生了多个不连续的小物理内存，导致新的程序无法被装载；
- 内部内存碎片，程序所有的内存都被装载到了物理内存，但是这个程序有部分的内存可能并不是很常使用，这也会导致内存的浪费；
针对上面两种内存碎片的问题，解决的方式会有所不同。
解决外部内存碎片的问题就是内存交换。
可以把音乐程序占用的那 256MB 内存写到硬盘上，然后再从硬盘上读回来到内存里。不过再读回的时候，我们不能装载回原来的位置，而是紧紧跟着那已经被占用了的 512MB 内存后面。这样就能空缺出连续的 256MB 空间，于是新的 200MB 程序就可以装载进来。
这个内存交换空间，在 Linux 系统里，也就是我们常看到的 Swap 空间，这块空间是从硬盘划分出来的，用于内存与硬盘的空间交换。
再来看看，分段为什么会导致内存交换效率低的问题？
对于多进程的系统来说，用分段的方式，内存碎片是很容易产生的，产生了内存碎片，那不得不重新 Swap 内存区域，这个过程会产生性能瓶颈。
因为硬盘的访问速度要比内存慢太多了，每一次内存交换，我们都需要把一大段连续的内存数据写到硬盘上。
所以，如果内存交换的时候，交换的是一个占内存空间很大的程序，这样整个机器都会显得卡顿。
3.2内存分页
分段的好处就是能产生连续的内存空间，但是会出现内存碎片和内存交换的空间太大的问题。
要解决这些问题，那么就要想出能少出现一些内存碎片的办法。另外，当需要进行内存交换的时候，让需要交换写入或者从磁盘装载的数据更少一点，这样就可以解决问题了。这个办法，也就是内存分页（Paging）。
分页是把整个虚拟和物理内存空间切成一段段固定尺寸的大小。这样一个连续并且尺寸固定的内存空间，我们叫页（Page）。在 Linux 下，每一页的大小为 4KB。
虚拟地址与物理地址之间通过页表来映射，如下图：
页是存储在内存中，由 CPU 的内存管理单元 （MMU） 负责映射转换的工作，这样CPU 就可以直接通过 MMU，找出要实际要访问的物理内存地址。
而当进程访问的虚拟地址在页表中查不到时，系统会产生一个缺页异常，进入系统内核空间分配物理内存、更新进程页表，最后再返回用户空间，恢复进程的运行。
3.2.1分页的优势
由于内存空间都是预先划分好的，也就不会像分段会产生间隙非常小的内存，这正是分段会产生内存碎片的原因。而采用了分页，那么释放的内存都是以页为单位释放的，也就不会产生无法给进程使用的小内存。
如果内存空间不够，操作系统会把其他正在运行的进程中的「最近没被使用」的内存页面给释放掉，也就是暂时写在硬盘上，称为换出（Swap Out）。一旦需要的时候，再加载进来，称为换入（Swap In）。所以，一次性写入磁盘的也只有少数的一个页或者几个页，不会花太多时间，内存交换的效率就相对比较高。
3.2.2分页的映射
在分页机制下，虚拟地址分为两部分，页号和页内偏移。页号作为页表的索引，页表包含物理页每页所在物理内存的基地址，这个基地址与页内偏移的组合就形成了物理内存地址，见下图。
总结一下，对于一个内存地址转换，其实就是这样三个步骤：
- 把虚拟内存地址，切分成页号和偏移量；
- 根据页号，从页表里面，查询对应的物理页号；
- 直接拿物理页号，加上前面的偏移量，就得到了物理内存地址。
下面举个例子，虚拟内存中的页通过页表映射为了物理内存中的页，如下图：
3.2.3多级页表
因为操作系统是可以同时运行非常多的进程的，那这不就意味着页表会非常的庞大。在 32 位的环境下，虚拟地址空间共有 4GB，假设一个页的大小是 4KB（2^12），那么就需要大约 100 万 （2^20） 个页，每个「页表项」需要 4 个字节大小来存储，那么整个 4GB 空间的映射就需要有 4MB 的内存来存储页表。这 4MB 大小的页表，看起来也不是很大。但是要知道每个进程都是有自己的虚拟地址空间的，也就说都有自己的页表。那么，100 个进程的话，就需要 400MB 的内存来存储页表，这是非常大的内存了，更别说 64 位的环境了。
要解决上面的问题，就需要采用的是一种叫作多级页表（Multi-Level Page Table）的解决方案。
在前面我们知道了，对于单页表的实现方式，在 32 位和页大小 4KB 的环境下，一个进程的页表需要装下 100 多万个「页表项」，并且每个页表项是占用 4 字节大小的，于是相当于每个页表需占用 4MB 大小的空间。
我们把这个 100 多万个「页表项」的单级页表再分页，将页表（一级页表）分为 1024 个页表（二级页表），每个表（二级页表）中包含 1024 个「页表项」，形成二级分页。如下图所示：
你可能会问，分了二级表，映射 4GB 地址空间就需要 4KB（一级页表）+ 4MB（二级页表）的内存，这样占用空间不是更大了吗？
当然如果 4GB 的虚拟地址全部都映射到了物理内存上的话，二级分页占用空间确实是更大了，但是，我们往往不会为一个进程分配那么多内存。
每个进程都有 4GB 的虚拟地址空间，而显然对于大多数程序来说，其使用到的空间远未达到 4GB，因为会存在部分对应的页表项都是空的，根本没有分配，对于已分配的页表项，如果存在最近一定时间未访问的页表，在物理内存紧张的情况下，操作系统会将页面换出到硬盘，也就是说不会占用物理内存。
如果使用了二级分页，一级页表就可以覆盖整个 4GB 虚拟地址空间，但如果某个一级页表的页表项没有被用到，也就不需要创建这个页表项对应的二级页表了，即可以在需要时才创建二级页表。做个简单的计算，假设只有 20% 的一级页表项被用到了，那么页表占用的内存空间就只有 4KB（一级页表） + 20% * 4MB（二级页表）= 0.804MB，这对比单级页表的 4MB 是不是一个巨大的节约？
那么为什么不分级的页表就做不到这样节约内存呢？我们从页表的性质来看，保存在内存中的页表承担的职责是将虚拟地址翻译成物理地址。假如虚拟地址在页表中找不到对应的页表项，计算机系统就不能工作了。所以页表一定要覆盖全部虚拟地址空间，不分级的页表就需要有 100 多万个页表项来映射，而二级分页则只需要 1024 个页表项（此时一级页表覆盖到了全部虚拟地址空间，二级页表在需要时创建）。我们把二级分页再推广到多级页表，就会发现页表占用的内存空间更少了，这一切都要归功于对局部性原理的充分应用。
对于 64 位的系统，两级分页肯定不够了，就变成了四级目录，分别是：
- 全局页目录项 PGD（Page Global Directory）；
- 上层页目录项 PUD（Page Upper Directory）；
- 中间页目录项 PMD（Page Middle Directory）；
- 页表项 PTE（Page Table Entry）；
