一文说透虚拟内存

为什么我们需要虚拟内存

提供一个虚拟化封装，让上层的程序员不用担心内存分配，物理地址的总大小。同时如果要手动管理内存是一件麻烦的事，比如一个程序读到另一个程序的物理地址，并且也很难保障多个处理器不会同时读取写入同一块物理地址，同时page table上也可以记录下对页的访问权限。

虚拟内存的定义

Give the programmer the illusion of a large address space while having a small physical memory

就是利用小块空间，并且软硬件结合来给程序员一个错觉-----我们有一个大到用不完的空间，并且对每个处理器来说都是这样。

虚拟内存的实现

比如我们有2^31的虚拟地址和2^27的物理地址,然后都有12bit的page offset，也就是4kb一个页

那我们怎么完成这个地址的转换呢？

通过一个page table。

VPN就是page table entris的编号，然后page table entires存了物理地址PPN，然后两个共用一个offset，这样就组成了物理地址，就可以去内存中寻址了。

同时为了确定在不在内存里面，或者还没有分配，多了一个valid bit。

但是这样的话，load和store，已经取instruction都要先到内存里面访问page table然后再访问物理地址。这样就进行了两次内存访问。

所以我们有了TLB(translation lookside buffer)也就是把一部分的page table缓存在cache里面，来加快访问。这样做有可行性------因为pc一般都是+4,而一个page又很大，有4kb，也就是支持1000条取指令。硬件如下。

 同时多个processor都独自拥有page table,可以不用担心别的处理器会对其产生影响，也可以通过一些库来共享physical page。Using different page tables for different programs provides memory protection。

软硬件的分工

当page hit的时候，处理器发送地址给MMU，然后MMU到内存或者cache中取物理地址，然后到内存中取数据。

发生了page fault,第四步触发了异常，然后异常处理程序，就从disk取page，然后重新执行。

物理页替换算法

因为如果要严格的LRU的话，要保存全局访问顺序，开销太大。我们就用一个bit来粗劣的估计