20.内存换入-请求调页

【README】

1.本文内容总结自 B站《操作系统-哈工大李治军老师》，内容非常棒，墙裂推荐；

2.操作系统关于内存管理的核心是基于虚拟内存的分段和分页管理；
3.而用内存换入和换出实现虚拟内存；

【1】虚拟内存

1）段页同时存在的内存管理图像

2）用户眼里的内存（就是虚拟内存）

【图解】

用户可以随意使用该内存（虚拟内存），就像单独拥有4G内存；
每个进程都有对应一个虚拟内存；
虚拟内存中存放了程序段，包括数据段，代码段，栈段等；
虚拟内存如何映射到物理内存，用户全然不知道；
操作系统利用虚拟内存与物理内存的映射来给用户提供这种4G内存的假象或图像；

3）换入
换入就是在虚拟内存与物理内存的映射上进行工作；

【2】用换入换出实现大内存

问题：虚拟内存4G，但物理内存实际只有1G，怎么办？
解决方法：内存换入换出；

【2.1】换入实例

【图解】

用户程序都在磁盘上，包括它的代码段，数据段，共计4G大小；
场景1：执行到0~1G，操作系统把磁盘上0~1G的代码段换入到物理内存，并建立虚拟内存与物理内存的映射；用户可以随便使用0~1G虚拟内存空间；
场景2：执行到3G~3.5G，操作系统把磁盘上3G~3.5G的数据段换入到物理内存，并建立虚拟内存与物理内存的映射；用户可以随便使用3G~3.5G虚拟内存空间；

【小结】
1）以上2个场景，用户感觉到可以使用 0~1G范围的内存，也可以使用3G~3.5G范围的内存，用户感觉机器可以使用的内存空间是0~4G（但实际物理内存只有1G，却给了用户4G内存的假象）；

2）请求的时候才映射（指令执行时需要寻址到3G~3.5G）
请求的时候才换入，用这种方法可以实现 0~4G 的一个规整的虚拟内存；

【2.2】请求调页（换入）

1）请求换入，建立映射（虚拟内存与物理内存的映射）；

即请求调入物理内存页，并建立虚拟内存与物理内存页的映射；

【图解】请求调页具体步骤
指令的逻辑地址为段号+偏移（cs:ip）;

步骤1：操作系统执行指令 load [addr], 根据逻辑地址addr的段号从段表中查询段基址（虚拟内存地址）；
步骤2： MMU根据段基址计算出逻辑页号，发现逻辑页号在页表中没有记录（如拿着3.5G内存地址的逻辑页号到 0~1G中的页表查找物理页号，肯定查无记录）；
步骤3：因为页表中没有记录（缺页），或MMU发现缺页，则MMU发出页错误中断请求（缺页中断请求）（设置中断请求触发器的某1位为1），等待cpu处理；
步骤4： CPU处理中断，执行中断处理程序，即执行页错误处理程序；
步骤5：页错误处理程序从磁盘找到需要的页，并读入到空闲物理内存页，并建立虚拟内存与物理内存的映射关系（在页表中添加一条记录）；
步骤6：中断处理程序执行完成后，即请求调页完成后，CPU再次执行 load [addr] 指令，就能够正确把逻辑地址 addr 翻译到物理地址了；

综上：应用请求调页或物理内存页换入，就可以实现4G大小的虚拟内存供用户随便使用；

补充1：MMU是一个硬件，可以代替程序把逻辑地址立即转为物理地址（相比软件，MMU硬件的地址翻译效率更高）；
补充2：虽然对用户来说感觉到的是4G内存，但使用过程中存在系统响应慢的情况，原因在于访问某些内存地址空间时，由于缺页可能导致操作系统请求调页（需要从磁盘读取数据到物理内存，比较耗时），调页需要耗费时间的；

2）问题：采用请求调页而不是请求调段，原因是什么？

段比页占用内存空间更大，请求调页占用内存空间小，内存利用率高；
当然，也可以请求调段，只不过性能可能偏低；

【3】请求调页代码实现

1）一个实际系统的请求调页
请求调页代码，从缺页中断开始； 14号中断是缺页中断；

// 操作系统启动时，初始化14号中断（缺页中断）的中断处理程序为 page_fault 
void trap_init(void) 
{set_trap_gate(14, &page_fault);
}
// 修改idt表，新增中断与中断处理程序的关联关系 
#define set_trap_gate(n, addr)_set_gate(&idt[n], 15, 0, addr);

2）处理中断 page_fault

【图解】

cr2寄存器：用于存储页错误线性地址，记录是哪一页缺页了；（线性地址就是虚拟地址）
Call _do_no_page: 调用缺页处理函数 _do_no_page()，参数是 %cr2寄存器的值（注意压栈了）

3）缺页函数 do_no_page()
从磁盘中找到需要的页，并读入空闲的物理内存页，建立虚拟内存与物理内存的映射关系（页表）；

// 缺页函数 do_no_page() 
//  在 linux/mm/memory.c 中
void do_no_page(unsigned long error_code, unsigned long address) 
{	// 获取逻辑页号address &= 0xfffff000; tmp = address - current->start_code; // 页面对应偏移量 if( !current->executagle || tmp >= current->end_data ) {get_empty_page(address); return ;}// 换入第1步： 申请一个物理空闲页 page = get_free_page();// 换入第2步： 从磁盘（或当前进程可执行文件所在设备 i_dev）上读取缺页数据到物理空闲页 (block read) bread_page(page, current->executable->i_dev, nr); // 换入第3步： 把物理页与虚拟地址建立映射（在页表中新增一条映射记录） put_page(page, address);  
}

补充：请求调页换入的3个步骤（非常重要*）：