学习虚存-自上而下

十一月 30, 2005

如果它不存在，但是你能看见它 — 它是虚拟的(IBM宣传虚拟内存之用语)。虚拟内存技术是计算机发展史上的一项重要的技术，它帮助应用程序摆脱了“体积”的限制。

记得上大学时，有一本书好像叫做“计算机网络 – 自顶向下”，全名记不太清了。书中从人们接触最多也最熟悉的“应用层”开始讲，一直讲到“物理层”，看完这本书后感觉效果不错。所以按照这种方法我也尝试着自上而下的去学习“虚存”，从我们最熟悉的C库接口调用说起，一直谈到底层的硬件支持设施。

1、初学者的疑惑
初学者往往都会写出以下这样的例子程序来学习malloc和free的使用。
int main() {
        int *p = malloc(10000);
        printf("p's address is 0x%p\n", p);
       free(p);
        return 0;
}
但往往结果让这些初学者们感到疑惑。比如上述的例子，在SUN SPARC 64编译后其输出如下：
p's address is 0x100100dc0
看到这样的结果，初学者往往心里嘀咕，“这台机器物理内存才4G，其地址空间总共才4294967296(dec)，而0x100100dc0转换十进制为4296019392(dec)，这个地址明显已经超出了我的物理内存的限制，这是怎么回事呢？”。其实这里的解释很简单：因为我们看到的都是“虚拟内存地址”。

2、“堆”为何物
malloc是个极其常见的内存分配接口函数，它主要负责运行时在“堆”上为程序动态分配内存空间。我们总是在口头上谈论着“堆”，那么“堆”到底为何物呢？我们已经知道了有“虚拟地址”这个东西的存在，想必“堆”和“虚拟地址”有着千丝万缕的联系^_^。我们来翻看一些经典书籍中的描述。在CSAPP[注1]中的描述是这样的：“堆是进程地址空间中的一段“虚拟地址”空间。在大多数的Unix系统中，堆是映射“二进制零区域(demand-zero)”实现的。其位置在bss段后，其增长方向为高地址方向”。

3、内存映射
前面谈到“demand-zero”这个新名词，那么什么叫“映射到demand-zero”呢？这里蕴含着一个极其重要的概念“内存映射”。内存映射好似一道桥梁，将放在物理磁盘上的对象和一段进程“虚拟地址”空间连接起来。磁盘上的对象，主要指的就是文件，在多数Unix的实现中支持两种文件的内存映射，分别为Regular File和匿名文件(如demand-zero)。映射的过程大致为将文件分成若干“虚拟内存基本单元(页)”大小存于“交换区”，直到CPU指令第一次访问到某个单元时，这个单元才真正被加载到物理内存中。

4、虚拟内存，何方神圣
看到这是不是有些“云里雾里”的感觉亚^_^。其实对于用户进程来说，它是看不到CPU和OS是如何相互配合完成内存管理的。它只认为它面前的是一个这样的情景：“一个完全被我拥有的CPU、一个从拥有M地址空间的物理内存(M = 2的n次方，n为地址总线宽度)…”。这里的用户进程眼中的“物理内存”实际就是“虚拟内存”。虚拟意味着假象，我们知道一个用户进程运行时可能仅仅占用的物理内存的一小部分。看来用户进程被欺骗了。而这个骗局是由操作系统和CPU共同布置的。为了让这个骗局一直维持下去，CPU和OS还是做了很多工作的，究竟有哪些工作呢？我们一一来看看。

1) 交换区(swap)
为了支持虚拟内存，操作系统在物理内存、磁盘之间交换数据的基本单元为“页”。页的大小是固定的，其因操作系统而异。这样一个用户进程在被加载之前首先要被分成若干个“页”，这些页存储在磁盘上。那么是不是进程启动后所有的页都被加载到物理内存中呢？答案是NO。在当前的Unix操作系统中，都有一个叫“交换区”的地方，“交换区”在磁盘上，它存储的是“已分配的虚拟内存页”。又有些糊涂是吧，什么叫已分配的页呢？一个进程虚拟内存页的加载流程大致是这样的：一旦用户进程一虚拟页需要被加载，则操作系统会在“交换区”中为该页分配一个页，一旦CPU访问的虚拟地址落入该页地址空间，则该页才被换入到物理内存中。在这个过程中虚拟页有多个状态，分别如下：
未分配的－进程虚拟页未得到加载指令，仍安静的待在磁盘上；
未缓存的－ OS为该进程虚拟页在交换区分配了一个空间，但是该虚拟页还未被引用；
已缓存的－该虚拟页被引用，被载入到物理内存中。

2) 换入换出
物理内存容量有限，当物理内存无空间存储新的内存页的时候，就需要将某些内存页从物理内存中移出以为新页腾出空间。这个过程对于那些被移出的页来说，就叫“换出”；相反对于那些新加入到物理内存中的页来说就叫做“换入”。

5、从缓存角度看虚存
现代计算机的存储体系是呈金字塔状的。越接近顶层，速度越快，容量越小，价格越贵；越接近底层，速度越慢，容量越大，价格越低。这样就形成了一个逐级缓存的机制。第K层设备永远是第K+1层设备的缓存。按照这种说法，在早期计算机中，主存是磁盘的缓存，CPU内的高级Cache是主存的缓存。现代计算机基本都支持虚拟内存机制，而虚存页是存储在磁盘上的，虚存页在主存中换入换出。按照缓存的概念，虚存属于容量大，速度慢的第K+1层，而处于第K层的主存就可以看作是虚拟内存的缓存。那么一切缓存理论就都可以应用在虚存和物理内存之间了，比如换入换出算法等。

6、硬件支持
在支持虚拟内存机制的计算机中，CPU都是以虚拟地址形式生成指令地址或者数据地址的，而这个虚拟地址对于物理内存来说是不可见的，那么是谁来屏蔽这个差异的呢？答案是MMU(Memory Management Unit)。MMU负责将CPU发出的虚拟地址转换成相应的物理内存地址。MMU不是孤立工作的，OS为其提供了很好的支持，OS在物理内存中为MMU维护着一张全局的页表，来帮助MMU找到正确地物理内存地址。

7、小结
这里简短而概要的对虚存进行了说明，虚存机制很复杂，不是一句两句能说清楚的，还需要慢慢探索^_^

[注1]
CS.APP – 《computer systems a programmer's perspective》中文名：《深入理解计算机系统》。