第十四周学习报告
第九章
一个系统中的进程是与其他进程共享共享CPU和主存资源。虚拟存储器是硬件异常，硬件地址翻译，主存，磁盘文件和内存软件的完美交互，它为每个进程提供了一个大的、一致的、和私有的地址空间：
存储器虚拟机提供三个能力:1.它将主存看成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，它高效地，使用了主存；2.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；3.它保护了每个进程的地址空间不被其他进程破坏
9.1物理和虚拟寻址
CPU的访问存储器的最自然的方式就是使用物理地址
CPU通过生成一个虚拟地址来访问主存，这个虚拟地址在被送到存储器之前先转换成适当的物理地址。将一个虚拟地址转换为物理地址的任务叫做地址翻译。
9.2地址空间
地址空间是非负的整数地址有序集合；如果地址空间中的整数是连续的，那么我们说它是一个线性地址空间；
一个地址空间的大小是由表示最大地址所需要的位数来描述的。
9.3虚拟存储器作为缓存的工具
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。每字节都有一个唯一的虚拟地址，这个唯一的虚拟地址是作为到数组的索引的。
虚拟页面的集合分为三个不相交的子集：
未分配的
缓存的
未缓存的
1.DRAM缓存的组织结构
使用术语SRAM缓存来表示位于CPU和主存之间的L1、L2、和L3高速缓存，并且用术语DRAM表示虚拟存储器系统的缓存，它在主存中缓存虚拟页
2.页表
页表将虚拟页映射到物理页。每次地址翻译硬件将一个虚拟地址转换为物理地址时都会读取页表。操作系统负责维护页表的内容，以及在磁盘与DRAM之间来回传送页。
页表就是一个页表条目的数组。虚拟地址空间中的每个页在页表中一个固定偏移量处都有一个PTE
3.页命中
4.缺页
DRAM缓存不命中称为缺页
块也被称作页。在磁盘和存储器之间传送页的活动叫做交换或者页面调度。页从磁盘换入DRAM和从DRAM换出磁盘。一直等待。当有不命中发生时才换入页面的策略叫做按需页面调度。
5.分配页面
6.局部性
局部性原则保证了在任意时刻，程序将往往在一个较小的活动页面集合上工作，这个集合叫做工作集，或者常驻集。
如果工作集的大小超过了物理存储器的大小，那么程序将产生一种不幸的状态，叫做颠簸，这时页面将不断的换进换出。
9.4虚拟存储器作为存储器管理的工具
VM简化了链接和加载、代码、和数据共享、以及应用程序的存储器分配。
简化链接
简化加载
简化共享
简化存储器分配
9.5存储器作为存储器保护的工具
- SUP：表示进程是否必须运行在内核模式下才能访问该页
- READ：读权限
- WRITE：写权限
如果一条指令违反了这些许可条件，那么CPU就触发一个一般保护故障，将控制传递给一个内核中的异常处理程序。Unix外壳一般将这种异常报告为“段错误”。
9.6地址翻译
CPU中的一个控制寄存器，页表基址寄存器。N位的虚拟地址包含两个部分：一个p位的虚拟页面偏移，和一个n-p位的虚拟页号。
地址翻译就是一个N元素的虚拟地址空间VAS中的元素和一个M元素的物理地址空间PAS中元素之间的映射。
页面基址寄存器PTBR指向当前页表。
MMU利用VPN选择适当的PTE。
PPO=VPO。
1.结合高速缓存和虚拟存储器
主要思路是地址翻译发生在高速缓存查找之前
2.利用TLB加速地址翻译
TLB是一个小的、虚拟寻址的缓存，其中每一行都保存着一个由单个PTE组成的块。TLB通常有高度的相连性。
这里的关键点是所有的地址翻译步骤都在芯片MMU中执行，所以很快。
3.多级页表
压缩页表的常用方法是使用层次结构的页表：这种方法减少了存储器要求，第一，如果一级页表中的一个PTE是空的，那么相应的二级页表就根本不会存在的，这代表一种潜在节约；第二，只有一级页表才需要总是在主存中，虚拟存储器系统在可以需要时创建、页面调入或调出二级页表，这就减少了主存的压力。只有经常使用的二级页表才需要缓存在主存中。
4.端到端的地址翻译
9.7案例研究
- 1.R/W位：确定内容是读写还是只读
- U/S位：确定是否能在用户模式访问该页
- XD位：禁止执行位，64位系统中引入，可以用来禁止从某些存储器页取指令
还有连个缺页处理程序涉及到的位：
- A位，引用位，实现页替换算法
- D位，脏位，告诉是否必须写回牺牲页
Linux虚拟存储器区域
Linux缺页异常处理
内核虚拟存储器包括：内核中的代码和数据结构。
一部分区域映射到所有进程共享的物理页面
另一部分包含每个进程都不相同的数据。
9.8存储器映射
Linux通过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，这个过程称为存储器映射。
1.unix文件系统中的普通文件
2.匿名文件
3.一旦一个虚拟页面被初始化了，它就在一个由内核维护的专门的交换文件之间换来换去。交换文件也叫做交换空间或者交换区域。很重要的一点是，交换空间都限制着当前运行的进程能够分配的虚拟页面的总数。
1.先看共享对象
共享对象&私有对象：私有对象使用一种写时拷贝的巧妙技术映射到虚拟存储器
共享区域&私有区域
2.再看fork函数
删除已存在的用户区域
映射私有区域
映射共享区域
设置程序计数器PC
3.再看execve函数
9.9动态存储器分配
动态存储器分配器维护着一个进程的虚拟存储器区域，称为堆。系统之间细节不同
分配器将堆视为一组不同大小的块集合为维护。每个块就是一个连续的虚拟存储器片，要么已经分配，要么是空闲的。
显式分配器&隐式分配器
要求：
- 处理任意请求序列
- 立即响应请求
- 只使用堆
- 对齐块
不修改已分配的块
目标：
- 最大化吞吐率（吞吐率：每个单位时间里完成的请求数）
- 最大化存储器利用率——峰值利用率最大化
碎片：
虽然有未使用的存储器，但是不能用来满足分配请求时，发生这种现象。
1.内部碎片
发生在一个已分配块比有效载荷大的时候
易于量化。
2.外部碎片
发生在当空闲存储器合计起来足够满足一个分配请求，但是没有一个单独的空间块足以处理这个请求时发生
难以量化，不可预测。
四、隐式空闲链表
堆块的格式：
由一个字的头部，有效荷载，和可能的额外填充组成。
放置已分配的块——放置策略
1.首次适配
从头开始搜索空闲链表，选择第一个合适的空闲块
2.下一次适配
从上一次搜索的结束位置开始搜索
3.最佳适配
检索每个空闲块，选择适合所需请求大小的最小空闲块
六、申请额外的堆存储器
用到sbrk函数：
成功则返回旧的brk指针，出错为-1
通过将内核的brk指针增加incr来扩展和收缩堆。
七、合并空闲块
合并是针对于假碎片问题的，任何实际的分配器都必须合并相邻的空闲块。
有两种策略：
- 立即合并
- 推迟合并
八、带边界的合并
这个合并的意思是，因为头部的存在，所以向后合并是简单的，但是向前合并是不方便的，所以���在块的最后加一个脚部，作为头部的副本，就方便了合并，具体四种情况如下：
空闲块总是需要脚部的。
九、实现简单的分配器
这里课本上给了一个详细的例子，关于如何实现一个简单分配器的设计，有几点是需要注意的：
- 序言块和结尾块：序言块是初始化时创建的，而且永不释放；结尾块是一个特殊的块，总是以它为结束。
- 有一个技巧，就是将重复使用的，操作复杂又有重复性的，这些可以定义成宏，方便使用也方便修改。
- 需要注意强制类型转换，尤其是带指针的，非常复杂。
- 因为规定了字节对齐方式为双字，就代表块的大小是双字的整数倍，不是的舍入到是。
十、显式空闲链表
1.区别
（1）分配时间
隐式的，分配时间是块总数的线性时间
但是显式的，是空闲块数量的线性时间。
（2）链表形式
隐式——隐式空闲链表
显式——双向链表，有前驱和后继，比头部脚部好使。
2.排序策略：
- 后进先出
- 按照地址顺序维护
十一、分离的空闲链表
分离存储，是一种流行的减少分配时间的方法。一般思路是将所有可能的块大小分成一些等价类/大小类。
分配器维护着一个空闲链表数组，每个大小类一个空闲链表，按照大小的升序排列。
有两种基本方法：
1.简单分离存储
每个大小类的空闲链表包含大小相等的块，每个块的大小就是这个大小类中最大元素的大小。
（1）操作
如果链表非空：分配其中第一块的全部
如果链表为空：分配器向操作系统请求一个固定大小的额外存储器片，将这个片分成大小相等的块，并且连接起来成为新的空闲链表。
（2）优缺点
优点：时间快，开销小
缺点：容易造成内部、外部碎片
2.分离适配
每个空闲链表是和一个大小类相关联的，并且被组织成某种类型的显示或隐式链表，每个链表包含潜在的大小不同的块，这些块的大小是大小类的成员。
这种方法快速并且对存储器使用很有效率。
其中每个大小类都是2的幂
这样，给定地址和块的大小，很容易计算出它的伙伴的地址，也就是说：一个块的地址和它的伙伴的地址只有一位不同。
优点：快速检索，快速合并。
垃圾收集器是一种动态存储分配器，它自动释放程序不再需要的已分配块，这些块被称为垃圾，自动回收堆存储的过程叫做垃圾收集。
垃圾收集器将存储器视作一张有向可达图，只有当存在一条从任意根节点出发并到达p的有向路径时，才说节点p是可达的，而不可达点就是垃圾。
有两个阶段：
- 标记：标记出根节点的所有可达的和已分配的后继
- 清楚：释放每个未被标记的已分配块。
参考资料：后面分配器的设计部分参考闫佳欣同学博客。
