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Virtual Memory

学这一章的目的： 理解虚拟地址空间、页表(Page Tables) 和 Multi-Level Page Tables、内存映射（mmap + 缺页异常）、动态内存分配。

真实的 main memory 资源有限、易受攻击。为了有效管理内存并且少出错，现代系统提供了一种对主存的抽象概念，叫做 Virtual Memory.

VM 提供 3 个能力：

  1. 把主存看成磁盘上的 cache
  2. 它为每个进程提供了一致的地址空间，从而简化了内存管理
  3. 它保护了每个进程的地址空间不被其他进程破坏。

three important capabilities:

(1) It uses main memory efficiently by treating it as a cache for an address space stored on disk, keeping only the active areas in main memory and transferring data back and forth between disk and memory as needed.

(2) It simplifies memory management by providing each process with a uniform address space.

(3) It protects the address space of each process from corruption by other processes.

地址转换 Address Translation

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地址转换是把 CPU 产生的虚拟地址 VA，映射成物理地址 PA 的过程，每次内存访问都会触发。这个过程是：

  1. CPU 产生虚拟地址 VA
  2. MMU 查 TLB
  3. 若 TLB miss → 查页表（PTE）
  4. 检查 PTE 的 valid/present 位
    • present = 1 → page hit
    • present = 0 → page fault

一步一步来：

Step1. CPU 生成虚拟地址（VA）并发给 MMU

在 CPU 指令执行期间，生成虚拟地址。CPU 将虚拟地址交给 MMU（Memory Management Unit），正式进入地址转换流程。

虚拟地址不“存储“在于内存中某个地方

🤔️ 虚拟地址实际上存在哪里？

虚拟地址不“存储“在于内存中某个地方，它只是 CPU 指令执行过程中出现的一个数值。

虚拟地址来源包括：指令中的立即数、通用寄存器中的值、基址 + 偏移的计算结果。

在执行瞬间，虚拟地址存在于 CPU 寄存器、ALU 计算路径、pipeline 中的 latch 里，指令执行完，这个地址就没了。对于程序而言感知到的也都是虚拟地址。

而页表 PTE、TLB 等是围绕虚拟地址服务的结构。PTE 存在内存里（RAM）中，其内容由操作系统维护；TLB 是 PTE 的缓存，属于 MMU 的一部分，物理上位于 CPU 内部。

Step2. MMU 查 TLB

MMU 的目标是把虚拟地址 VA 转换为物理地址 PA，或发现这一步无法完成。

MMU 首先将 VA 拆分为：

[ VPN (Virtual Page Number) | VPO (Virtual Page Offset) ]

高位 VPN 说明“这是第几页”；低位 VPO 说明“在这页里的第几个字节”

虚拟页 offset 和物理页的 offset 必须相同

为什么？

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因为页是操作系统管理内存的最小单位。地址转换只翻译“页号”，字节在页内部不应该换位置，所以不需要翻译“页内偏移”。

然后，MMU 使用 VPN 查找 TLB。

MMU 从虚拟地址中取出 VPN 的一部分作为 TLB index，选中一个 set，再在该 set 中并行比较 tag（TLBT），从而判断 TLB 是否命中。

  • 如果 TLB hit：

    • 直接得到对应的物理页号（PPN）
    • 跳过页表访问

  • 如果 TLB miss：

    • 说明该 VPN 到 PPN 的映射不在缓存中
    • MMU 需要进一步查页表

Step3. 页表遍历（Page Table Walk）

在 TLB miss 的情况下，MMU 根据页表基址（如 PTBR）访问内存中的页表。

Step4. 判断 page hit / page fault

为什么需要 VM ?

地址空间隔离

每个进程拥有自己独立的虚拟地址空间，也就是自己的 page table 同一物理页可以被多个进程的 VP 共享。 分离虚拟地址空间带来的好处：

  1. 简化 Linking。每个进程都有一致的虚拟起始地址空间（64 位机器都是从 0x400000 开始），链接器就不用关心不同进程之间是否冲突，每个程序都可以“假装”自己独占整个地址空间。
  2. 简化 Loading。加载器不需要为每个程序重新安排物理地址，只需要映射 ELF 文件中的段（text/data）到虚拟地址。这样做的好处是，不需要挪动程序的代码来放进内存，提升速度。 how？Linux 提供一个 mmap 的系统调用。内存映射
  3. 简化 Sharing。通过虚拟内存（页表映射）让多个进程共享同一份物理内存中的代码，例如内核代码、libc 的代码。（动态链接就是一个场景）
  4. 简化 Memory Allocation. 比如 call malloc 后，os 分配若干个连续的 VP，但 PP 不需要连续

VM 对内存的保护

虚拟内存让 OS 能通过 “PTE 里额外的许可位” 控制每个进程能访问哪些内存、以什么方式访问，从而保证安全。 额外的许可位有：SUP, READ, WRITE