20145320《信息安全系统设计基础》第14周学习总结

第九章 虚拟存储器

9.1 物理和虚拟寻址

• 1.物理地址

  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，每字节都有一个唯一的物理地址PA。

  根据物理地址寻址的是物理寻址。

• 2.虚拟地址

  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。

  使用虚拟寻址时，CPU通过生成一个虚拟地址VA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（这个过程叫做地址翻译，相关硬件为存储器管理单元MMU）

9.2 地址空间

• 1.地址空间

  地址空间是一个非负整数地址的有序集合：

• 2.线性地址空间

  地址空间中的整数是连续的。

• 3.虚拟地址空间

  CPU从一个有 N=2^n 个地址的地址空间中生成虚拟地址，这个地址空间成为称为虚拟地址空间。

• 4.地址空间的大小

  由表示最大地址所需要的位数来描述。

  N=2^n：n位地址空间

  主存中的每个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。

9.3 虚拟存储器作为缓存的工具

• 虚拟存储器——虚拟页VP，每个虚拟页大小为P=2^平字节

• 物理存储器——物理页PP，也叫页帧，大小也为P字节。

• 任意时刻，虚拟页面的集合都被分为三个不相交的子集：

  • 未分配的：VM系统还没分配/创建的页，不占用任何磁盘空间。
  • 缓存的：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

9.3.2页表

页表是一个数据结构，存放在物理存储器中，将虚拟页映射到物理页。

• 1.如果设置了有效位：

  地址字段表示DRAM中相应的物理页的起始位置，这个物理页中缓存了该虚拟页

• 2.如果没有设置有效位：

  • (1)空地址：表示该虚拟页未被分配
  • (2)不是空地址：这个地址指向该虚拟页在磁盘上的起始位置。

9.3.3 页命中

9.3.4缺页

• 缺页：就是指DRAM缓存不命中。

• 缺页异常：会调用内核中的缺页异常处理程序，选择一个牺牲页。

• 页：虚拟存储器的习惯说法，就是块

• 交换=页面调度：磁盘和存储器之间传送页的活动

• 按需页面调度：直到发生不命中时才换入页面的策略，所有现代系统都使用这个。

9.4 虚拟存储器作为存储器管理的工具

9.5 虚拟存储器作为存储器保护的工具

9.6地址翻译

• 1.当页面命中时，CPU动作：

  处理器生成虚拟地址，传给MMU

  MMU生成PTE地址，并从高速缓存/主存请求得到他

  高速缓存/主存向MMU返回PTE

  MMU构造物理地址，并把它传给高速缓存/主存

  高速缓存/主存返回所请求的数据给处理器。

• 2.处理缺页时：
  处理器生成虚拟地址，传给MMU

  MMU生成PTE地址，并从高速缓存/主存请求得到他

  高速缓存/主存向MMU返回PTE

  PTE中有效位为0，触发缺页异常

  确定牺牲页

  调入新页面，更新PTE

  返回原来的进程，再次执行导致缺页的指令，会命中

9.6.3多级页表

多级页表——采用层次结构，用来压缩页表。

9.6.4端对端的地址翻译

9.7案例研究

9.8 存储器映射

9.8.2使用mmap函数的用户级存储器映射

1.创建新的虚拟存储器区域

2.删除虚拟存储器：

9.9 动态存储器分配

9.9.1malloc和free函数：

9.9.2分配器的要求和目标：

1.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

2.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

9.9.3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。

9.9.4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。

空闲块通过头部中的大小字段隐含地连接着，分配器可以通过遍历堆中所有的块，从而间接地遍历整个空闲块的集合。

需要：特殊标记的结束块。

系统对齐要求和分配器对块格式的选择会对分配器上的最小块大小有强制的要求。

9.9.5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

9.9.6申请额外的堆存储器

用到sbrk函数：

#include <unistd.h>

vid *sbrk(intptr_t incr);

成功则返回旧的brk指针，出错为-1

9.9.7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：
  立即合并与推迟合并

9.9.8带边界的合并

9.9.9实现简单的分配器

9.9.10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

9.9.11分离的空闲链表

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。

9.10 垃圾收集

• Mark&Sweep垃圾收集器

  • 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
    清除：释放每个未被标记的已分配块。

相关函数：

ptr定义为typedef void *ptr

ptr isPtr(ptr p)：如果p指向一个已分配块中的某个字，那么就返回一个指向这个块的起始位置的指针b，否则返回NULL
int blockMarked(ptr b)：如果已经标记了块b，那么就返回true
int blockAllocated(ptr b)：如果块b是已分配的，那么久返回ture
void markBlock(ptr b)：标记块b
int length(ptr b)：返回块b的以字为单位的长度，不包括头部
void unmarkBlock(ptr b)：将块b的状态由已标记的改为未标记的
ptr nextBlock(ptr b)：返回堆中块b的后继

9.11 C程序中常见的与存储器有关的错误

• 1.间接引用坏指针

  常见错误：

  ——scanf错误

• 2.读未初始化的存储器

  常见错误：

  ——假设堆存储器被初始化为0

• 3.允许栈缓冲区溢出

  常见错误：

  ——缓冲区溢出错误

• 4.假设指针和它们指向的对象是相同大小的

  在远处起作用action at distance

• 5.造成错位错误

• 6.引用指针，而不是它所指向的对象

• 7.误解指针运算

• 8.引用不存在的变量

• 9.引用空堆块中的数据

• 10.引起存储器泄露

心得体会

对于最后一节C程序中常见的与存储器有关的错误，看完之后就不禁回想起自己在编程的时候遇到的类似的问题。每次遇到这种问题的解决的方法都是去百度，然后根据百度上大家五花八门的方法一个一个试，问题解决了就解决了，没解决便手足无措，错误也不知道具体是由于什么原因而导致的。看完这一节之后，有一种原来如此的感觉，下次遇到问题就可以尝试自己解决了。