虚拟内存相关笔记

虚拟内存是计算机系统内存管理的一个功能，它允许程序认为它们有比实际物理内存更多的可用内存。它使用硬盘来模拟额外的RAM。当物理内存不足时，操作系统将利用磁盘空间作为虚拟内存来存储数据。这种机制提高了资源的利用率并允许更大、更复杂的应用程序的执行。

以下是虚拟内存的工作原理和组成：

1. 分页与页表:

   • 为了实现虚拟内存，操作系统将虚拟地址空间和物理地址空间分成固定大小的块，称为页。
   • 每个虚拟页都有一个对应的物理页，但并不是所有虚拟页都一直保留在物理内存中。
   • 页表是一个数据结构，用于跟踪虚拟页和物理页之间的关系。

2. 页面置换:

   • 当一个程序需要访问一个不在物理内存中的页时，会触发一个页面错误（page fault）。
   • 操作系统会选择一个物理页，将其内容写回到磁盘（如果该页被修改过），并从磁盘读取所需的页到该物理页中。
   • 页面置换算法（如最近最少使用LRU、先进先出FIFO等）用于确定应该替换哪个物理页。

3. 交换空间或页面文件:

   • 当物理内存不足时，操作系统使用磁盘上的一部分作为虚拟内存，称为交换空间（Linux）或页面文件（Windows）。
   • 当一个页面从物理内存被移出时，它被存储在这个磁盘空间中。

4. 优点:

   • 内存抽象: 应用程序不必关心物理内存的实际数量和位置，而是工作在一个连续的、统一的地址空间中。
   • 资源最大化: 虚拟内存允许多个进程共享有限的物理内存，而每个进程都认为它独占了所有的内存。
   • 安全性: 通过虚拟内存，每个进程都运行在其自己的地址空间，这防止了一个进程意外（或恶意地）访问或修改另一个进程的数据。

5. 缺点:

   • 如果系统过度依赖虚拟内存（即频繁地进行页面置换），性能会受到严重影响，因为磁盘访问速度远慢于RAM。这种现象被称为"页面抖动"。

类比说明：
想象你是一位厨师，正在为一个大型晚宴做准备。你的厨房操作台是你的"物理内存"，因为这是你直接使用食材和工具的地方。但是，你有太多的食材和工具，无法全部放在操作台上。这时，你的冰箱和储藏室就起到了"虚拟内存"的作用。

1. 工作中: 当你制作一个菜肴时，你从冰箱或储藏室取出所需的食材和工具放到操作台上。同样地，当电脑运行一个程序时，它需要从硬盘（相当于你的冰箱/储藏室）中取出数据，放到物理内存（操作台）中。

2. 空间不足: 如果操作台上的空间不足，你需要做出决策：将一些不急用的食材或工具放回冰箱或储藏室，为即将使用的食材腾出地方。同样，当电脑的物理内存不足时，它会将一些不常用的数据移至硬盘上的一个特定区域（虚拟内存），为即将使用的数据腾出空间。

3. 取用速度: 从操作台拿东西总是比从冰箱或储藏室拿要快。同理，电脑从物理内存中取数据比从硬盘上的虚拟内存取数据要快得多。

4. 过度依赖的问题: 如果你频繁地从冰箱和储藏室拿取东西，你的烹饪速度就会变慢。同样，如果电脑过于依赖虚拟内存，它的运行速度也会受到影响。

我们继续使用厨房的例子来解释分页和页表。

1. 分页：

   • 解释: 分页是将计算机的内存划分为许多固定大小的小块，这些小块就叫做"页"。
   • 厨房比喻: 想象你的操作台上有一个特别的蛋糕模型，这个模型可以将一个大蛋糕切成等大的小块。在这里，大蛋糕代表电脑的整个内存或一个大型程序，而蛋糕模型将大蛋糕分成了许多小块，每一小块蛋糕就是一个"页"。

2. 页表：

   • 解释: 页表是一个目录或索引，它记录了每个"页"的位置，无论是在操作台上（物理内存）还是在冰箱/储藏室中（虚拟内存）。
   • 厨房比喻: 想象在操作台旁边有一个食谱，这个食谱告诉你每一小块蛋糕现在放在哪里——是在操作台上，还是在冰箱里。如果你需要找到一个特定的蛋糕块，你只需要查看食谱，而不是去每个地方寻找。这个食谱就像是计算机的"页表"，帮助电脑迅速找到每一个"页"的位置。

当程序在运行时，它可能需要某个特定的数据（也就是蛋糕的某一小块）。电脑首先会查看页表（食谱）以确定这个数据当前存储在哪里。如果它在操作台上（物理内存），那么电脑可以直接使用它；如果它在冰箱/储藏室（虚拟内存），那么电脑需要先将其移动到操作台上才能使用。

分页是计算机内存管理中的一种技术，用于将物理内存和虚拟内存分成固定大小的块。以下是分页的具体步骤和机制：

1. 固定大小的块：

   • 无论是物理内存（RAM）还是虚拟内存（通常在硬盘上），它们都被分为固定大小的块，这些块被称为"页"。常见的页大小有4KB, 8KB等，但这取决于操作系统和硬件架构。

2. 虚拟地址与物理地址：

   • 当程序运行时，它在一个叫做"虚拟地址空间"的地方生成地址。这些地址不直接对应物理内存的实际位置。
   • 物理地址是数据在RAM中的实际位置。
   • 分页的任务之一是将虚拟地址映射到物理地址。

3. 页表的作用：

   • 为了完成这种映射，操作系统维护了一个叫做"页表"的数据结构。页表为每一个虚拟页存储一个条目，指示这个虚拟页在物理内存中的位置。
   • 当CPU需要访问一个虚拟地址时，它首先查找相关的页表，找到物理地址，然后访问那个物理位置。

4. 页失效：

   • 如果一个程序试图访问的虚拟页不在物理内存中（这意味着它可能在硬盘的虚拟内存部分），则会发生"页失效"。此时，操作系统必须从虚拟内存中取出所需的页，并将其加载到物理内存中。为了给新页腾出空间，操作系统可能需要选择一个当前在物理内存中的页，并将其移出。

尝试使用一个更简单的比喻来帮助理解页失效和页面置换算法。

想象一下，你有一个小书桌和一个大书架。你正在研究一本书，但书桌上只能放5本书。你的书桌代表物理内存，而大书架代表虚拟内存。

页失效的情境:

1. 你正在阅读一个新主题，需要从书架上取一本书。
2. 但是，你的书桌已经放满了5本书，没有空间放新书。
3. 这种情况，就像页失效，你需要的"数据"（书）不在"物理内存"（书桌）上。

页面置换算法:

1. 既然书桌上没有空间，你需要决定放回书架的哪一本书来为新书腾地方。
2. FIFO（先进先出）: 你放回最早放到书桌上的那本书，无论你多久没读它。它就像排队，第一个来的书将是第一个离开的。
3. LRU（最近最少使用）: 你思考一下，然后放回你很长时间都没有看过的那本书，因为你认为短期内不太可能再需要它。

所以，这些"页面置换算法"就是你用来决定哪本书放回书架的方法，以便为新书腾出空间。计算机在决定哪一页数据从物理内存中移出以容纳新数据时，也采用类似的策略。

5. 页面置换算法：

   • 为了决定哪一页应该从物理内存中移出，操作系统使用页面置换算法。常见的算法包括LRU（最近最少使用）、FIFO（先进先出）等。

6. 分页的优点：

   • 通过使用分页，操作系统可以使得每个进程都认为它在使用整个连续的地址空间，而实际上，它的数据可以散布在物理内存的各个地方。
   • 分页还有助于保护进程之间的隔离，因为每个进程的地址空间是独立的。