文章目录
- 1.为什么要有逻辑地址？
- 2.逻辑地址如何与物理地址映射？
- 3.分页中的时间与空间的优化
- 4.程序内部的内存管理——分段
- 5.CPU的缓存cache如何起作用？
1.为什么要有逻辑地址？
- 逻辑地址：是直接在程序中看到的内存地址
- 逻辑内存也叫虚拟内存
- 硬件可用的地址是变化的， 比如增加减少内存条，程序的地址是写死的
- 因为程序无法知道可用的逻辑地址，所以必须要作出映射
2.逻辑地址如何与物理地址映射？
- 一种简单的思路：固定偏移量映射，eg如下图
缺点：
（1）以程序1为例，一个程序所使用的内存是无法计算的，右边程序没有使用的物理内存称之为内碎片
（2）程序1运行完毕后，释放内存，接着运行程序3，因为程序3的地址是0-201，它无法使用0-200的地址，长期以往，该块内存一直被闲置，，那么这块内存称之为外碎片
- 所以将逻辑内存分为页
（1）页表：左边代表逻辑内存中的页，右边代表物理内存中的帧
页表还存储的信息：当前条目是否可用，当前页的读写权限，当前帧是否是脏的等； - 每个进程都有自己的页表
每个进程的帧号不一样，就保证了不同进程之间是隔离的 - 小知识
（1）内存的一个地址里面住的是一个字节Byte的数据；
（2）32位的OS物理地址有2^32个，因而只能使用4GB的内存
（3）任何一个32位的程序可操作的逻辑地址是2^32个，即4GB；(每个32位的程序都天真的以为自己拥有4GB的内存)
（4）上面势必会造成多个程序使用内存总和大于物理内存，此时会借助磁盘，将并不着急使用的内存先存到磁盘，PT对应的帧号只显示磁盘
如下图，大部门页映射到帧中，小部门页映射到磁盘中 - 内存映射的过程
eg问题：
机器：32bit，256MB内存，页大小为4KB
程序：32bit程序
逻辑地址0x000011a3如何映射到物理地址？
分析：
（1）4K=12bit，就是2^12，所以偏移量是12bit，所以，页号就是32-12=20bit；
逻辑地址32bit=20bit页号+12bit偏移
（2）256MB=28bit，就是2^28，偏移量是12bit，所以帧号就是28-12=16bit
物理地址28bit=16bit帧号+12bit偏移
对于0x0000011a3而言，1a3代表12bit的偏移地址，000001代表20bit的页号 - （3）在页表PT(Page Table)中查找，00001对应的帧号是00f3(16bit转16进制数)，在帧内寻找偏移量1a3的地址，最终找到内存；
如果对应的帧号是磁盘，会发生什么？
会发生缺页中断或缺页异常，会触发程序进入内核态，内核会到磁盘中找到对应的数据，然后会将其加载到物理内存的帧中，然后把加载好的帧号填写到PT表的帧号那一栏中，重新进行寻址。
若帧已经加载满了，会有页替换算法（只需知道能选出要逐出的页帧就行了），将最少使用的帧逐出到磁盘（所以linux下的该部分又称之为：swapping），把当前的数据放入到物理的帧中。
如下图是：逻辑地址映射到物理地址的过程 - 分页小结
（1）分页使得每个程序都有很大的逻辑地址空间，通过映射磁盘和高效的置换算法，使得内存“无限大”
（2）分页使不同的进程的内存隔离，保证了安全
（3）分页降低了内存碎片问题
（4）但是上述分页过程中，需要两次（第一次是从页表中获取帧号，第二次：拿着帧号到内存中再查一遍）读内存时间上有待优化，页表占用空间较大，空间上也有待优化
3.分页中的时间与空间的优化
- 时间优化：
（1）将最常访问的几个（一般是8-128个左右）页表项存到访问速度更快的硬件中，一般是MMU内存管理单元（一般情况，MMU属于CPU），该页表的名称是TLB(Translation Lookaside Buffer)，可以称其为快表；
（2）先寻址先查TLB，然后miss后，再查PT。
快表命中率很高，因为一个事实：程序最常访问的页没几个 - 空间优化：
多级页表可以缩小页表占用的空间
4.程序内部的内存管理——分段
- 堆区，栈区就是段，段错误啥的。。。
- 现在我们所说的段，已经不再是最初的会影响内存管理的段了，而是更多的是程序层面的逻辑上的段
- eg：如图C语言的分段情况：对虚拟地址分的段
（1）最高的地址空间是留给Kernel Space内核的
（2）Text段：存储程序本身的二进制字节码；
Data段：存储程序中的静态的变量
Heap段：是从低往高增长的
Stact栈区：是从高往低增长的
Libraries：是函数库的区域，eg：linux的so文件，windows的dll动态链接库。进程之间是可以共享函数库的，就是进程间通信的共享内存的通信方式。
补充：（3）malloc若申请>128K的内存，会调用mmap，在堆和栈之间区域申请内存码。和这里的lib区其实是相同的位置的，因为他们都是页映射磁盘。 （mmap就是文件映射内存的系统调用）。 - 共享内存极其常见，eg：windows下选择文件的那个对话框
- 分段和分页的关系
（1）分段和分页结合的方式是：
每个段有很多页，页表中存储端号和页号唯一映射物理帧号
（2）但是段页结合的模式只在x86 Intel cpu等少数上还支持，更新的x86-64架构都不再支持段页结合了。
但是仍然保留了段的概念，只是程序层面便于计算，并不会影响分页式内存管理 - eg：两个程序分别映射到物理内存中
（1）内核区域是各个程序所共享的，所有2个程序都映射到了Kernel内核区域
（2）各自有各自的栈区，Libraries库区可能是多个进程所共享的
5.CPU的缓存cache如何起作用？
- 计算机的存储器结构大致是： CPU寄存器 —缓存cache–存储器（内存）–磁盘存储（硬盘）。从左到又速度从快变慢，存储大小由小变大。
- 所以cache做的事情是把内存里面常用的存储数据存在自己这里供CPU读取，因为cache的访问延迟远远小于内存， 所以访问这部分存在cache里的数据就会比直接去访问内存快的多，大概快一个量级。
- 至于为什么不用CPU直接读取，第一CPU的寄存器容量非常小，是Kb级别的，你让他去访问，内存，一次就这点，得多久才能把一个QQ那么大的程序运行了。第二是CPU访问内存，速度瓶颈自然在内存这里，那CPU当然访问cache更快了，而且现在的cache分L1 L2 L3这几层，从左到又速度从快变慢，存储大小由小变大。
参考：
