第九章 虚拟内存

物理地址和虚拟地址：

计算机的主存被组织成一个由M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）。第一个字节地址为0，接下来为1，再接下来为2，依次类推。CPU访问内存的最自然方式就是使用物理地址。我们把这种方式称为物理寻址。如图所示。

 

                                                                                                    

 

 现代处理器使用一种称为虚拟地址的寻址方式。使用虚拟寻址，CPU通过生成一个虚拟地址（VA）来访问主存，这个虚拟地址在被送到内存之前先准换成适当的物理地址。将一个虚拟地址转换成物理地址的任务叫做地址翻译。CPU上通过内存管理单元这个专用硬件，利用存放在主存中的查询表来动态翻译虚拟地址，该表的内容由操作系统管理。

 

                                                                                

 

 

地址空间

地址空间是一个非负整数地址的有序集合。如果地址空间中的整数是连续的，那么我们说它是一个线性的地址空间。在一个带虚拟内存的系统中，CPU从一个有N=2^n 个地址的地址空间中生成虚拟地址，这个地址空间称为虚拟地址空间。一个地址空间的大小由表示最大地址所需要的位数来描述。例如一个N=2^n 个地址的虚拟地址空间就叫做一个n位地址空间，现代操作系统通常支持32位和64位虚拟地址空间。

 

虚拟内存作为缓存的工具

概念上而言，虚拟内存被组织为一个由存放在磁盘上的N个连续的字节大小的单元组成的数组。每个字节都有唯一的虚拟地址，作为数组的索引。磁盘上数组的内容被缓存在主存中。和存储器层次结构中其他缓存一样，磁盘上（较低层）的数据被分割成块，这些块作为磁盘和主存（较高层）之间的传输单元。VM系统通过将虚拟内存分割成为虚拟页（Virtual Page，VP），每个虚拟页的大小为P = 2^p字节。类似的物理内存也被分割成为物理页（Physical Page，PP），大小也是P字节（物理页也被成为页帧）

在任意时刻，虚拟页面的集合都分为三个不相交的子集：

1、未分配的：VM系统还未分配（或者创建）的页。未分配的块没有任何数据和它们相互关联，因此也不占用任何磁盘空间。

2、缓存的：当前已缓存在物理内存中已分配的页

3、未缓存：未缓存在物理内存中的已分配页

 

                                                                                 

 

 

 

垃圾收集

在诸如C malloc包这样的显示分配器中，应用通过调用malloc和free来分配和释放堆块。应用要负责释放所有不再需要的已分配块。

未能释放已分配的块是一种常见的编程错误。

垃圾收集器是一种动态内存分配器，它自动释放程序不再需要的已分配块。这些块被称为垃圾。自动回收堆存储的过程叫做垃圾收集。

垃圾收集器可以将内存视为一张有向可达图，该图的节点被分为一组根节点和一组堆节点，每个堆节点对应于堆中的一个已分配块。根节点对应于这样一种不在堆中的位置，它们中包含指向堆中的指针。这些位置可以是寄存器、栈里的变量、或者是虚拟内存中读写数据区域内的全局变量。

当存在一条从任意根节点出发并到达p的有向路径时，我们可以说节点p是可达的。在任何时刻，不可达节点对应于垃圾，是不能被应用再次使用的。垃圾收集器的角色是维护可达图的某种表示，并通过释放不可达节点且将它们返回给空闲链表，来定期回收它们。

 

Mark&Sweep垃圾收集器

MarkSweep垃圾收集器由标记阶段和清除阶段组成，标记阶段标记出根节点的所有可达的和已分配的后继，而后面的清除阶段释放每个未被标记的已分配块。块头部中空闲的低位中的一位通常用来表示这个块是否被标记。

假设初始情况下，一个堆由六个已分配块组成，其中每个块都是未分配的。第三个块包含一个指向第一个块的指针。第四个块包含指向第三个块和第六个块的指针。根指向第四个块，在标记阶段之后，第一个快、第三个块、第四个块和第六个块都做了标记，因为它们是从根节点可达的。第二块和第五块是未标记的，因为它们是不可达的。在清除节点之后，这两个不可达块被回收到空闲链表。

 

C程序中常见的与内存相关的错误

对于C程序员来说，管理和使用虚拟内存是一件困难和容易出错的任务。常见的错误示例包括：间接引用坏指针，读取未初始化的内存，允许栈缓冲区溢出。假设指针和它们指向的对象大小相同，引用指针而不是它所指向的对象，误解指针运算，引用不存在的变量以及引起内存泄漏。