06 | 虚幻与真实：程序中的地址如何转换？

信息量爆炸，细节深挖不动,大方向上的个人理解和收获: 为什么需要虚拟地址: 实模式中如果运行多道程序有一些问题需要解决: 地址冲突 控制互相访问 代码占用的空间大到物理内存放不下怎么办 不同计算机的容量各不相同,方案如何全部支持 给每个程序一个私有的连续的独立的虚拟的地址空间,和计算机无关,和其它程序无关. 解决思路: 将虚拟地址与物理地址分离,让应用程序从实际的物理内存中解耦出来,增加中间层MMU去做地址转换,对程序透明. MMU: 设计思路: 虚拟地址到物理地址直接做映射,则映射关系大到无法接收,维护成本太高. 虚拟段基址映射到物理段基址,看似可以,但是段长度各不相同,并且粒度可能会很大. 因此把虚拟地址和物理地址空间都分成同等大小的块,按照虚拟页和物理页进行映射和转换,地址转换表中存放虚拟页地址对应的物理页地址即可. 实现思路: 纯硬件实现没有灵活性,用软件实现太低效,因此使用软硬件结合的方式. 用硬件电路逻辑实现地址转换器件,接受虚拟地址和地址关系转换表,输出物理地址. 为什么需要多级页表: 每个进程都有自己的页表,多级页表可以省掉大量未映射页表占用的空间,为null则说明后面的页都没有使用. 虚拟地址由虚拟页号和虚拟页号偏移组成,多级页表查找时可以使用索引.

配合之前的现代操作系统的学习有一些收获不知道对或不对 虚拟内存实际上是存储器地址空间抽象的一种实现。从进程的角度看起来就好像自己独占了整个内存，链接器链接编译产物的时候只需要从0地址开始做变量和函数地址的替换，不需要关心自己是否会把其他进程的内存单元给污染。地址空间是进程可以访问的所有内存单元的集合 而虚拟内存的实现带来的好处只要有 1.利用程序的局部性原理，使用时间换空间，通过不断地淘汰/加载页表项就可以模拟出巨大的内存。 2.使用mmu并行计算的能力，减少了基址寄存器和界限寄存器的add和compare操作。 但是软件开发是没有银弹的，虚拟内存同时也带来了一些实现上的挑战 1.从虚拟内存到物理内存的映射必须要尽可能快，不然访存的时候反而会成为指令执行速度的瓶颈，这点现代操作系统大多通过在内核中维护一个tlb做页表-页框的映射缓存表来实现，这里是空间换时间。 2.随着虚拟内存的增加，比如要表示4GB的虚拟内存，以4KB的页面大小为例，共需要4GB/4KB= 2^20,而每个页表项需要32位即是4个字节大小，一个进程的页表总共为2^20*4 = 4194304（字节） = 4MB。 假设4核cpu同时运行不同的进程，操作系统在内核中至少需要维护16MB的页表。看起好像很小对不对，大家可以尝试按64位内存总线去换算。所以为了避免一次性加载大量页表到内存中，会采用多级页表策略。如老师文中描述的，一次只加载一级页表到内存中，并且可以选择淘汰上一级页表，通过多次映射的方法来避免大页表，到这里又是时间换空间了。 而对于老师说的，mmu无法映射物理地址时，有几种原因 1.访问了受内核保护的页面，或者访问了只读的页面（比如c语言中存储字符串字面量和const变量的段），此时内核会抛出段错误 2.页面和页框没有产生映射关系，但是数据页已经被其他进程加载到内存中了，此时只需要建立页面和页框的映射关系，称为次级缺页中断 3.页面和页框没有产生映射关系，数据页也没有被加载到内存中（在磁盘上），此时需要发生磁盘io从磁盘中加载页到内存中，还需要建立页面和页框的映射关系，称为严重缺页中断。 除了第一点，第二第三都会以内核降低自身运行速度来修复，也就是老师说的，通过中断形成页表映射，然后再重新执行引起中断的命令（此时数据页已经在内存中并且建立映射关系了）。

看同学们的评论，也让人收获不少，喜欢这样的氛围！感谢！

😃又是信息量爆炸的一节，不过读下来也是挺爽的。这里我替很多同学说明一下，虚拟地址中的页内偏移才是决定页大小和多级目录的核心点，页内偏移必须与页大小保持一致，这样才能保证寻址可以找到页内的每一个地址。 对于思考题，其实也比较简单，文中也谈到了，实模式下多个任务共享所有地址空间太危险，因此才有了保护模式，保护模式下的分页模式是一个巨大的创新。 对于每个进程而言，它会误认为(被操作系统欺骗)自己独有所有地址空间，因此它访问地址是不会考虑任何问题的，可是这个地址是虚拟地址，待被MMU翻译后会得到对应的页表，而这个页表由操作系统管理，不同的进程拥有不同的页表，也因此产生了进程地址空间隔离，但是多个进程也是可以共享某个页表，这也是进程通信(IPC)的根本手段。

多个进程隔离应该是操作系统进行任务切换时会改写CPU的页表基地址寄存器为当前被运行进程的页表基地址吧！

一脸懵逼的进来，一头雾水的出去

每一个进程会有不同的页表内容。 在32位的windows系统中虚拟地址2g到4g空间都是系统函数调用空间，这部分的对应的物理空间是同一块区域。但低端虚拟内存空间各个进程空间对应的物理地址不相同，所以进程间的页表有部分相同，有部分是不同的。 另外32位的xp系统是可以设置成1g的系统内存空间的，也就是进程的私有空间由0到2g的范围变成了0到3g的虚拟空间。与上面的描述又有些变化了。 到了64位好像是128T的虚拟内存空间的是进程私有虚拟内存空间。

这课也太顶了吧，撒哈拉沙漠都没这课干

有个疑问，现代CPU都是多核的，那么一个4核的CPU是共享一个MMU，还是每个核心都有自己的MMU，有4个MMU呢？

思考题 每个程序对应的CR3内容不同，进而映射也不相同，同样的虚拟地址被映射到不同的物理地址。