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3.存储管理

3.存储管理

作者: SeaRise | 来源:发表于2017-11-14 19:08 被阅读16次

参考:

基本思想:

  • 每个进程拥有自己的地址空间,地址空间被分成许多块,称为页面,每一页有连续的地址范围

  • 与地址空间一样,物理内存也被分成许多块,块的大小与页一样大,称为页框

  • 页映射到页框,被程序引用,一旦程序引用到未映射的页,就会发生缺页中断,把引用的页映射到页框,再重新进行引用。

分页

  • 进程并不直接引用物理内存地址,而是先引用虚拟地址,再由内存管理单元(Memory Manaement Unit, MMU)把虚拟地址映射为物理内存地址。

    如下图 image
  • 虚拟地址与物理内存地址的映射为页面页框的映射关系,页面映射到了页框就意味着该页面在物理内存上。
    如下图

    image
  • 一旦进程引用到了未映射的页面,就会发生缺页中断,从映射的页面中选一个,换上要用的页面,再重新进行引用。

页表

  • 每个进程都有自己的页表,用于记录自己的虚拟地址和物理内存地址的映射情况,页表存在MMU。切换进程的时候,页表也会切换。

  • 页表的最简单实现是:把虚拟地址分成虚拟页号(高位部分)和偏移0量(低位部分)。
    虚拟页号作为页表的索引,找到相应的页表项,从而找到页框号,再由页框号和偏移量构成物理内存地址。
    如下图:


    image
  • 页表项的结构基本如下:

    • 在/不在位:1有效;0无效,引发缺页中断
    • 修改位:1被修改过,移除页框时要写回磁盘;0未修改过,无需写回磁盘。
    • 保护位:1读/写;2只读
    • 高速缓存禁止位:对于映射到设备的页面,不能用被缓存的副本,要用最新的内容。(如键盘)


      image.png
  • 页表并不保存页面的磁盘地址,由另外的机制来保存。

关于分页的两个问题

  1. 虚拟地址到物理内存地址的映射必须非常快
  2. 如果虚拟地址空间很大,那页表也会很大。
  • 加速分页过程
    解决第一个问题,使用快表(TLB)。

    • TLB是MMU的缓存,用于存储经常被访问到的页表项。

    • 软失效: 页面访问不在TLB,在内存。仅需更新一下TLB,不需要产生磁盘I/O。

    • 硬失效:页面不在内存。发生缺页中断。

  • 针对大内存的页表
    解决第二个问题。

  • 多级页表

    • 把虚拟地址划分为PT1,PT2,Offset,PT1作为顶级页表的索引,PT2作为二级页表的索引。

    • 结构上类似B+树。

    • 一般最多2级,再往上会带来更大的复杂性。

    • 对于32位还可以接受,64位需要耗费的空间太大。


      image
  • 倒排页表

    • 一个页框为一个表项,而不是一个页面为一个表项,这样页表的大小取决于页框的数量而不是虚拟地址的大小。

    • 缺点:虚拟地址转换为物理内存地址时要遍历整个页表。

    • 改进:使用哈希表来存储。用虚拟地址来散列。这样无需遍历。

image

页面置换算法

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其他

  • 分离数据段和代码段,节省地址空间


    image
  • 父子进程共享代码段,数据段使用写时复制
    写时复制即数据段在未被修改时共享,一旦发生修改操作,就复制数据段,父子进程拥有独立的数据段。

  • 清除策略
    启动一个分页守护进程的后台进程,定期唤醒检查分页情况,在空闲页框过少时,通过页面置换算法确保空闲页框的数量。

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