虚拟存储器

　　系统中的进程之间会共享CPU和主存，为了有效的管理存储器，减少出错（某个进程可能会对另一个进程使用的存储器进行写操作），提出了虚拟存储器（VM）的概念。

　　虚拟存储器为每一个进程提供了一种私有的且一致的地址空间，并且通过某种机制。为系统提供了以下功能：

　　（1)  在磁盘上划出一块地址空间，将主存看成这块地址空间的高速缓存，主存自动缓存最近使用的存放在磁盘上的虚拟地址空间的内容，通过这种方式，可以高效的使用主存；

　　（2）为每一个进程提供了一致的地址空间，简化了存储器管理；

　　（3） 虚拟存储器在每个页表条目中加入了保护位，从而保护每个进程的地址空间不被其他进程破坏。

　　虚拟存储器遍及计算机系统的各个层面；给予了应用程序强大的能力，可以创建和销毁存储器片，将存储器片映射到磁盘文件的某个部分，以及与其他进程之间共享存储器；但是虚拟存储器使用不当，将会遇到各种与存储器有关的错误！

　　接下来看一下虚拟存储器是如何工作的：

　　1. 虚拟寻址

　　

　　计算机系统的主存被组织成由N个连续的字节大小的单元组成的数组，每个字节都有一个唯一的物理地址（PA）。使用虚拟寻址时，CPU通过生成一个虚拟地址（VA）来访问主存，虚拟地址通过存储器管理单元（MMU）翻译成物理地址，通过存储器总线传给主存，主存取出从该物理地址开始的四个字节的内容，将其返回给CPU。专用硬件MMU利用存放在主存中的查询表来动态翻译虚拟地址，查询表的内容有操作系统管理，地址翻译需要硬件和软件（操作系统）之间的密切配合。

　　2. 虚拟存储器

　　虚拟存储器被组织成一个存放在磁盘上的M个连续字节大小的单元组成的数组，每个字节都有一个唯一的虚拟地址。虚拟存储器系统将虚拟存储器分割成大小固定的块，即虚拟页（VP），物理存储器也被分割为物理页（PP），物理页和虚拟页的大小相同。虚拟存储器原理图如下所示：

　　

　　虚拟页（VP）可以分为以下几个部分：

　　（1） 未分配的页，虚拟存储器还未创建的页，不占用磁盘空间；

　　（2） 缓存的页（VP1-VP3,VP7），当前缓存在物理存储器中的已分配页；

　　（3） 未缓存的页（VP4-VP6，VP8），当前未缓存在物理存储器中的已分配页。

　　通过存放在物理存储器中的一种称为页表（PT）的数据结构，将虚拟页映射到物理页，操作系统负责维护页表的内容，并在磁盘和主存之间传送页。页表为一个页表条目（PTE）的数组，页表条目有一个有效位和一个n位的地址字段组成，有效位表明该虚拟页是否被缓存在物理存储器中，地址字段表示对应的物理页在物理存储器中的起始位置，或者该虚拟页在磁盘中的起始位置。

　　当CPU读取存储在虚拟存储器某页中的一个字时:

　　若在物理存储器中找到了该虚拟页，称为页命中，如图所示，当CPU读取包含在VP2中的一个字时，VP2被缓存在了物理存储器中，MMU将虚拟地址作为索引来定位PTE2，根据有效位可知，VP2缓存在物理存储器中，接着使用PTE2中的物理存储器地址构造出该字的物理地址。

　　若没有在物理存储器中找到该虚拟页，称为缺页，如图所示，当CPU读取包含在VP3中的一个字时，VP3并没有缓存在物理存储器中，MMU将虚拟地址作为索引来定位PTE3，根据有效位可知，VP3没有缓存在物理存储器中，触发缺页中断，调用内核中的缺异常处理程序。该程序会选择一个缓存在物理存储器中的虚拟页作为牺牲页，内核从磁盘拷贝VP3到物理存储器中，并更新PT3,随后返回。在主程序中，重新启动导致缺页的指令，此时将会命中该虚拟页。

　　当我们调用指令来分配一个新的虚拟页时，即分配页面，在磁盘上创建空间，并更新相应的页表条目，使其指向磁盘上新建的页面。

　　虚拟存储器是对主存的抽象，其之所以能够行之有效，归根结底，是因为程序具有局部性。

相关链接：

　　处理器的体系结构 https://www.cnblogs.com/yongjin-hou/p/13604296.html
　　存储器的层次结构与程序的性能 https://www.cnblogs.com/yongjin-hou/p/13529924.html

参考书籍：Randal E.Bryant  David R.O'Hallaron 著，龚奕利  雷迎春 译，《深入理解计算机系统》，机械工业出版社