如何支持巨大的虚拟地址空间

• • 📖1. 为什么要支持巨大的虚拟地址空间
  • 📖2. 交换空间
  • 📖3. 存在位
  • 📖4. 页错误
  • 📖5. 为了处理页错误，操作系统大致做了什么？
  • 📖6. 页面换出
  • 📖7. 当程序从内存中读取数据会发生什么？
  • 📖8. 页面置换什么时候真正发生

📖1. 为什么要支持巨大的虚拟地址空间

为什么我们要为进程支持巨大的虚拟地址空间呢？

为了方便和易用性，有了巨大的地址空间，你不必担心程序的数据和代码是否有空间存储，只需自然的编写代码，根据需要分配内存.

📖2. 交换空间

我们需要在硬盘上开辟一部分空间用于物理页的移入和移出，在操作系统中，一般这样的空间称为交换空间（swap space）.因为我们将内存中的页交换到其中，并在需要的时候又交换回去.

上图中，可以看到一个4页的物理内存和8页的交换空间（在磁盘上），有4个进程，进程0、进程1、进程2都只有一部分有效页在内存中，剩下的在硬盘的交换空间中，进程3的所有页都被交换到了磁盘上，因此它目前没有运行，有一块交换空间是空闲的，通过这个小例子，你应该能够看出，使用交换空间是如何让系统假装比实际物理内存更大.

📖3. 存在位

现在我们在硬盘上有一部分交换空间，需要在系统中增加一些机制，来支持从硬盘交换页.

让我们先回想一下内存引用会发生什么？

正在运行的进程生成虚拟地址（用于获取指令或访问数据），硬件将其转换为物理地址，再从内存中获取所需数据.

硬件首先从虚拟地址获得VPN（虚拟页号），检查TLB是否命中，如果命中，则获得最终的物理地址并从内存中取回，它不需要额外的内存访问.

如果在TLB中找不到VPN（即TLB未命中），则硬件在内存中查找页表（使用页表基址寄存器），并使用VPN查找该页的页表项（PTE）作为索引，如果页有效且存在于物理内存中，则硬件从PTE中获得PFN，将其插入TLB，并重试该指令，这次TLB中就会命中.

但是，我们要支持页可以从内存交换到磁盘，必须添加更多的机制，具体的说，当硬件在PTE中查找时，可能发现页面不在物理内存中，硬件判断是否在内存中的方法，是通过页表项中的一条新信息，即存在位.

如果存在位设置为1，则表示该页存在于物理内存中，如果存在位设置为0，则表示该页不在物理内存中，而在硬盘中. 访问不在物理内存中的页，这种行为被称为页错误.

当发生页错误（页未命中），硬件产生中断，操作系统被唤醒处理页错误，执行页错误处理程序.

📖4. 页错误

如果一个页不在物理内存中，即它已经被交换到了硬盘上，在处理页错误时，操作系统需要将该页交换到内存中，那么有一个问题：操作系统怎么知道所需的页在哪里呢？

操作系统可以用PTE中的某些位来存储硬盘地址，把存储PFN的位置改为存储硬盘地址，当操作系统收到页错误时，它会在PTE中查找地址，并将请求发送到硬盘，将页读取到内存中.

当硬盘I/O完成时，操作系统会更新页表，将此页标记为存在，更新页表项（PTE）的PFN字段以记录新获取页的内存位置，并重试指令. 下一次重新访问时TLB还是未命中，然而这次因为页在内存中，因此会将页表中的地址更新到TLB中（也可以在处理页未命中时顺便更新TLB），最终的重试操作会在TLB中找到转换映射，从已转换的内存物理地址，获取所需的数据或指令.

📖5. 为了处理页错误，操作系统大致做了什么？

首先，操作系统必须为将要换入的一个页找到一个物理帧，如果没有这样的物理帧，我们将不得不等待页面置换算法执行，并从内存中踢出一些页，释放帧供这里使用. 在获得物理帧后，处理程序发出I/O请求从交换空间中读取页，最后，当这个慢操作完成时，操作系统更新页表并重试指令，重试将导致TLB未命中，然后硬件（MMU）通过查找页表找到该项并缓存在TLB中，然后再一次重试，此时硬件将能够访问所需的值.

📖6. 页面换出

刚才我们假设有足够的空闲内存来存储从交换空间换入的页. 但是，如果内存已经满了呢？

这时操作系统必须先交换出一个或多个页，以便为操作系统即将交换入的新页留出空间，选择哪些页被换出的策略，被称为页面置换.

📖7. 当程序从内存中读取数据会发生什么？

首先硬件从虚拟地址中拿出VPN，并在TLB中检查是否命中，当TLB未命中时则需要查找页表中的PTE，会分三种情况：

1. 该页存在且有效，在这种情况下，TLB未命中处理程序可以从PTE中获取PFN，并将这对转换保存在TLB中，接着重新执行指令，这次TLB会命中，获得物理地址并在内存中读取到数据
2. 页未命中处理程序需要运行，虽然它是一个有效页，但它此时不在物理内存中
3. 访问的是一个无效页，可能由于程序中出现了错误，硬件捕获这个非法访问，操作系统陷阱处理程序运行，可能会杀死非法进程.

📖8. 页面置换什么时候真正发生

为了保证有少量的空闲内存，大多数操作系统会设置高水位线和低水位线（LW），来帮助决定何时从内存中清楚页.

大致原理是这样：当操作系统发现有少于LW个页可用时，后台负责释放内存的线程会开始运行，直到有HW个可用的物理页，这个后台线程有时称为交换守护进程或页守护进程.

在执行交换的过程时，我们可以进行一些优化，例如，许多系统会把多个要写入的页聚集或分组，同时写入到交换空间中，从而提高硬盘的效率.

为了配合后台的分页线程，页面置换算法首先检查是否有空闲页，而不是直接执行替换，如果没有空闲页，会通知后台的分页线程按需要释放页（把它换出到磁盘上），当线程释放一定数目的页时，它会重新唤醒原来的线程，然后就可以把需要的页换进内存，继续执行.