原著: David A Rusling 翻译: Banyan & FIFA 第三章 存储管理 存储管理子系统时操作系统中最重要的组成部分之一。在早期计算时代，由于人们所需要的内存数目远远大于物理内存，人们设计出了各种各样的策略来解决此问题，其中最成功的是虚拟内存技术。它使得系统中为有限物理内存竞争的进程所需内存空间得到满足。 虚拟内存技术不仅仅可让我们可以使用更多的内存，它还提供了以下功能： 巨大的寻址空间 操作系统让系统看上去有比实际内存大得多的内存空间。虚拟内存可以是系统中实际物理空间的许多倍。每个进程运行在其独立的虚拟地址空间中。这些虚拟空间相互之间都完全隔离开来，所以进程间不会互相影响。同时，硬件虚拟内存机构可以将内存的某些区域设置成不可写。这样可以保护代码与数据不会受恶意程序的干扰。 内存映射 内存映射技术可以将映象文件和数据文件直接映射到进程的地址空间。在内存映射中，文件的内容被直接连接到进程虚拟地址空间上。 公平的物理内存分配 内存管理子系统允许系统中每个运行的进程公平地共享系统中的物理内存。 共享虚拟内存 尽管虚拟内存允许进程有其独立的虚拟地址空间，但有时也需要在进程之间共享内存。 例如有可能系统中有几个进程同时运行BASH命令外壳程序。为了避免在每个进程的虚拟内存空间内都存在BASH程序的拷贝，较好的解决办法是系统物理内存中只存在一份BASH的拷贝并在多个进程间共享。动态库则是另外一种进程间共享执行代码的方式。共享内存可用来作为进程间通讯(IPC)的手段，多个进程通过共享内存来交换信息。 Linux支持SYSTEM V的共享内存IPC机制。 3.1 虚拟内存的抽象模型 在讨论Linux是如何具体实现对虚拟内存的支持前，有必要看一下更简单的抽象模型。 在处理器执行程序时需要将其从内存中读出再进行指令解码。在指令解码之前它必须向内存中某个位置取出或者存入某个值。然后执行此指令并指向程序中下一条指令。在此过程中处理器必须频繁访问内存，要么取指取数，要么存储数据。 虚拟内存系统中的所有地址都是虚拟地址而不是物理地址。通过操作系统所维护的一系列表格由处理器实现由虚拟地址到物理地址的转换。 为了使转换更加简单，虚拟内存与物理内存都以页面来组织。不同系统中页面的大小可以相同，也可以不同，这样将带来管理的不便。Alpha AXP处理器上运行的Linux页面大小为8KB，而Intel X86系统上使用4KB页面。每个页面通过一个叫页面框号的数字来标示(PFN) 。 页面模式下的虚拟地址由两部分构成：页面框号和页面内偏移值。如果页面大小为4KB，则虚拟地址的 11：0位表示虚拟地址偏移值，12位以上表示虚拟页面框号。处理器处理虚拟地址时必须完成地址分离工作。在页表的帮助下，它将虚拟页面框号转换成物理页面框号，然后访问物理页面中相应偏移处。 图3.1给出了两个进程X和Y的虚拟地址空间，它们拥有各自的页表。这些页表将各个进程的虚拟页面映射到内存中的物理页面。在图中，进程X的虚拟页面框号0被映射到了物理页面框号4。理论上每个页表入口应包含以下内容： 有效标记，表示此页表入口是有效的 页表入口描叙的物理页面框号 访问控制信息。用来描叙此页可以进行哪些操作，是否可写？是否包含执行代码? 虚拟页面框号是为页表中的偏移。虚拟页面框号5对应表中的第6个单元（0是第一个）。 为了将虚拟地址转换为物理地址，处理器首先必须得到虚拟地址页面框号及页内偏移。一般将页面大小设为2的次幂。将图3.1中的页面大小设为0x2000字节（十进制为8192）并且在进程Y的虚拟地址空间中某个地址为0x2194，则处理器将其转换为虚拟页面框号1及页内偏移0x194。 处理器使用虚拟页面框号为索引来访问处理器页表，检索页表入口。如果在此位置的页表入口有效，则处理器将从此入口中得到物理页面框号。如果此入口无效，则意味着处理器存取的是虚拟内存中一个不存在的区域。在这种情况下，处理器是不能进行地址转换的，它必须将控制传递给操作系统来完成这个工作。 某个进程试图访问处理器无法进行有效地址转换的虚拟地址时，处理器如何将控制传递到操作系统依赖于具体的处理器。通常的做法是：处理器引发一个页面失效错而陷入操作系统核心，这样操作系统将得到有关无效虚拟地址的信息以及发生页面错误的原因。 再以图3.1为例，进程Y的虚拟页面框号1被映射到系统物理页面框号4，则再物理内存中的起始位置为 0x8000(4 * 0x2000)。加上0x194字节偏移则得到最终的物理地址0x8194。 通过将虚拟地址映射到物理地址，虚拟内存可以以任何顺序映射到系统物理页面。例如，在图3.1中，进程X的虚拟页面框号0被映射到物理页面框号1而虚拟页面框号7被映射到物理页面框号0，虽然后者的虚拟页面框号要高于前者。这样虚拟内存技术带来了有趣的结果：虚拟内存中的页面无须在物理内存保持特定顺序。 3.1.1 请求换页 在物理内存比虚拟内存小得多的系统中，操作系统必须提高物理内存的使用效率。节省物理内存的一种方法是仅加载那些正在被执行程序使用的虚拟页面。比如说，某个数据库程序可能要对某个数据库进行查询操作，此时并不是数据库的所有内容都要加载到内存中去，而只加载那些要用的部分。如果此数据库查询是一个搜索查询而无须对数据库进行添加记录操作，则加载添加记录的代码是毫无意义的。这种仅将要访问的虚拟页面载入的技术叫请求换页。 当进程试图访问当前不在内存中的虚拟地址时，处理器在页表中无法找到所引用地址的入口。在图3.1中，对于虚拟页面框号2，进程X的页表中没有入口，这样当进程X试图访问虚拟页面框号2内容时，处理器不能将此地址转换成物理地址。这时处理器通知操作系统有页面错误发生。 如果发生页面错的虚拟地址是无效的，则表明进程在试图访问一个不存在的虚拟地址。这可能是应用程序出错而引起的，例如它试图对内存进行一个随机的写操作。此时操作系统将终止此应用的运行以保护系统中其他进程不受此出错进程的影响。 如果出错虚拟地址是有效的，但是它指向的页面当前不在内存中，则操作系统必须将此页面从磁盘映象中读入到内存中来。由于访盘时间较长，进程必须等待一段时间直到页面被取出来。如果系统中还存在其他进程，操作系统就会在读取页面过程中的等待过程中选择其中之一来运行。读取回来的页面将被放在一个空闲的物理页面框中，同时此进程的页表中将添加对应此虚拟页面框号的入口。最后进程将从发生页面错误的地方重新开始运行。此时整个虚拟内存访问过程告一段落，处理器又可以继续进行虚拟地址到物理地址转换，而进程也得以继续运行。 Linux使用请求换页将可执行映象加载到进程的虚拟内存中。当命令执行时，可执行的命令文件被打开，同时其内容被映射到进程的虚拟内存。这些操作是通过修改描叙进程内存映象的数据结构来完成的，此过程称为内存映射。然而只有映象的起始部分被调入物理内存，其余部分仍然留在磁盘上。当映象执行时，它会产生页面错误，这样Linux将决定将磁盘上哪些部分调入内存继续执行。 3.1.2 交换 如果进程需要把一个虚拟页面调入物理内存而正好系统中没有空闲的物理页面，操作系统必须丢弃位于物理内存中的某些页面来为之腾出空间。 如果那些从物理内存中丢弃出来的页面来自于磁盘上的可执行文件或者数据文件，并且没有修改过则不需要保存那些页面。当进程再次需要此页面时，直接从可执行文件或者数据文件中读出。 但是如果页面被修改过，则操作系统必须保留页面的内容以备再次访问。这种页面被称为dirty页面， 当从内存中移出来时，它们必须保存在叫做交换文件的特殊文件中。相对于处理器和物理内存的速度，访问交换文件的速度是非常缓慢的，操作系统必须在将这些dirty页面写入磁盘和将其继续保留在内存中做出选择。 选择丢弃页面的算法经常需要判断哪些页面要丢弃或者交换，如果交换算法效率很低，则会发生"颠簸"现象。在这种情况下，页面不断的被写入磁盘又从磁盘中读回来，这样一来操作系统就无法进行其他任何工作。以图3.1为例，如果物理页面框号1被频繁使用，则页面丢弃算法将其作为交换到硬盘的侯选者是不恰当的。一个进程当前经常使用的页面集合叫做工作集。高效的交换策略能够确保所有进程的工作集保存在物理内存中。 Linux使用最近最少使用（LRU）页面衰老算法来公平地选择将要从系统中抛弃的页面。这种策略为系统中的每个页面设置一个年龄，它随页面访问次数而变化。页面被访问的次数越多则页面年龄越年轻；相反则越衰老。年龄较老的页面是待交换页面的最佳侯选者。 3.1.3 共享虚拟内存 虚拟内存让多个进程之间可以方便地共享内存。所有的内存访问都是通过每个进程自身的页表进行。对于两个共享同一物理页面的进程，在各自的页表中必须包含有指向这一物理页面框号的页表入口。 图3.1中两个进程共享物理页面框号4。对进程X来说其对应的虚拟页面框号为4而进程Y的为6。这个有趣的现象说明：共享物理页面的进程对应此页面的虚拟内存位置可以不同。 3.1.4 物理与虚拟寻址模式 操作系统自身也运行在虚拟内存中的意义不大。如果操作系统被迫维护自身的页表那将是一个令人恶心的方案。多数通用处理器
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