虚拟内存及内存管理机制

news2024/10/11 20:14:49

图源自小林coding

虚拟内存是什么？

虚拟内存是一种计算机系统管理内存的技术，它使操作系统能够将物理内存（RAM）和硬盘存储结合使用。虚拟内存的主要作用包括以下几点：

扩展物理内存的使用： 虚拟内存允许系统将硬盘上的部分空间（称为交换区或页面文件）作为扩展的内存来使用。当物理内存不足时，操作系统会将不常使用的内存页面（数据或程序代码的部分）从RAM中移到硬盘的交换区，这样可以释放更多的RAM给活跃的进程使用。
内存隔离和保护： 每个进程运行在自己的虚拟地址空间中，互相独立。这意味着一个进程无法直接访问其他进程的内存，从而提高了系统的安全性和稳定性。
提高内存管理效率： 虚拟内存通过分页（paging）或分段（segmentation）机制来实现内存的灵活管理，避免内存碎片的产生，并允许系统灵活地分配和回收内存。

简单来说，虚拟内存提高了系统的内存利用率和安全性，使得程序在运行时即便超出了物理内存的容量，系统依然能够继续运行。

内存分段机制

为什么有分段机制

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，所以就有分段的形式把这些段分离出来。

虚拟地址和物理地址是如何映射的？

虚拟地址由两部分组成：段选择因子和段内偏移量。 段选择因子包括段号。
在这里插入图片描述
段表保存了段的基地址、段的界限等，虚拟地址中的段内偏移量应该在 0 和段界限之间，如果段内偏移量合法，那么物理内存地址就等于段基地址加上段内偏移量。

缺点

1、外部内存碎片问题。 由于内存分段管理可以做到段根据实际需求分配内存，有多少需求就分配多大的段，所以不会出现内存内部碎片问题。但是假如两个不连续的段的内存被回收了，这两块内存无法合并成一个大的内存，所以会产生两个外部内存碎片。
2、内存交换效率低。 解决外部内存碎片的方法是内存交换。先将分隔内存碎片的程序占用的内存写道磁盘上，再从磁盘上读回内存，这样就能合并两个分开的内存碎片。但是由于磁盘的 IO 很慢，并且每次交换都需要将大段的内存写入读取，所以会使机器卡顿。

内存分页机制

为什么有内存分页机制

为了解决内存分段的外部内存碎片和内存交换效率低的问题。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。

内存分页机制，页与页之间是紧密排列的，所以不会有外部碎片（但是如果程序不足一页，会产生内部碎片）。
如果内存空间不够，操作系统只会换出换入少量的页，不会花太多时间。

因此内存交换的效率就相对比较高。

虚拟地址和物理地址是如何映射的？

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。
虚拟地址由页号和页内偏移量组成，虚拟地址与物理地址之间通过页表来映射，如下图:
请添加图片描述
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。

缺点

页表占用空间大。
32 位环境下，虚拟地址空间有 2^32 = 4GB，假设一个页的大小是 2^12 =4KB，那么就需要 2^20 = 1MB 个页，每个页需要 4B 存储，那么 4GB 空间的映射就需要有 4MB 的内存来存储页表。每个进程都有自己的页表，假设有 100 个进程就需要 400MB 的内存来存储页表，占用了很大的内存。

解决方式

多级页表。
把 1MB 个页表项再分页，将一级页表分为 1024 个二级页表，每个二级页表存储 1024 个页。
请添加图片描述
一级页表和二级页表结合起来能够覆盖全部虚拟地址空间。（页表一定要覆盖全部虚拟地址空间。）
如果某个一级页表的页表项没有用到，那么就不需要创建这个页表项对应的二级页表，也就省去了 1KB 个页的内存。
TLB。
多级页表虽然解决了空间上的问题，但是虚拟地址到物理地址的转换就多了几道转换的工序，这就带来了时间上的开销。由于程序空间局部性的存在，把最常访问的几个页表项存储到高速缓存（TLB，快表）中，加快了虚拟地址的转换。