详细介绍一下unix虚拟存储器

mytomorrow

       昨晚和舍友星光夜谈到12点多，今天一大早就要睡觉。你要问谈的什么这么来劲，我只能说既不是美女也不是电影，而是Linux下面的虚存管理机制！我们是不是很用功，哈哈哈。今天抽时间来对unix下面的虚存机制总结一下，就当温故而知新吧！

       大家可能经常听说什么段页式内存管理，虚拟内存，虚地址等，然后没学过操作系统的朋友听着一片晕乎！今天我们就来深扒一下unix系统下的内存管理机制。
4 W6 F% l# ]6 c1 o# U) v- p' Q
' G2 ], [+ t, a3 |5 s% A       首先很多朋友会问，为什么要有虚拟存储器呢？比如我单片机写程序的时候就直接用物理内存地址啊，没见得什么不妥的。确实，对应某个单一程序而言，在保证内存空间大小满足的情况下，确实不需要什么虚拟内存机制，直接用就OK了。但是对于一个多进程运行的系统而言，虚拟内存机制实在是必不可少的。我们知道一个系统的进程是与其他进程共享CPU和内存资源的，但是共享内存会形成一些问题。如果没有虚存机制，我们来看一下下面两种情况：
3 }) t$ f/ p; x5 }$ D  A- I
1.当多个进程需要的空间大于内存容量，那么它们当中必然会有某些进程无法运行，超过空间的进程就会崩溃了。

2.当A进程不小心写了B进程使用的地址空间时，那么B进程在执行时行为会无法预测，太危险了。

% w+ m' Z) j: A8 C9 d# \6 T" j一直这样做也会使得物理存储器特别容易损坏。
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       为了更好地有效管理存储器并且不出错，现在的主流系统（unix/windows）都提供了虚拟内存管理机制，将逻辑存储地址与实际物理地址区分开来。并且虚存为每个进程都提供一个独立的，同等大小的私有地址空间。
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一. 虚拟寻址
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7 a! z+ {4 N/ I0 {: I0 E图中的MMU是CPU芯片中用于将虚拟地址转换成物理地址的地址翻译器。
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首先忽略高级缓存L1,我们只看处理器，MMU，还有物理存储器。

5 Z  |- I$ X7 h$ k" [处理器只管寻址虚拟地址，交给MMU，MMU翻译成物理地址，到物理存储器中取指令或数据。

  d' q( R( I% P4 J) K2 _* l- ]早期的PC和现在的数字信号处理器比如DSP，单片机等用的还是直接物理寻址，没有虚存机制。不过目前的计算机系统大都提供虚存机制。
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二. 地址空间

如果是虚存寻址，那么虚存空间可以完全和物理存储在逻辑上独立开来，容量也可以不受实际物理存储器的大小限制。那么实际虚存容量究竟有多大呢？以前在本科上课的时候听老师说过是4G，当时就郁闷过，如果一个进程所需空间大于4G怎么办，而且4G也不大啊。。。然后发现老师说的并不准确，确实虚存的大小要CPU地址总线长度有关系，如果是32位的CPU，那么2的32次方是4G。如果是64位的CPU（目前PC基本都是64位的，32位绝种了），那么2的64次方是4G*4G（太大了，天文数字）。。。因为太大了，远远超过目前实际所需，所以CPU生产厂商限制了地址位长。
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0 Z1 }% p, t; c7 V  [; |1 x) ]三.虚拟存储器结构

概念上讲，虚拟存储器(VM)被组织为一个由存放在磁盘（注意是磁盘！！！）上的N个连续的字节大小的单元组成的数组。每个字节都有一个唯一的虚拟地址，这个唯一的虚拟地址是作为到数组的索引。
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  f3 Z& X, W" z虚拟存储器以虚拟页为单位，每个页有P个字节。
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物理内存也是以页为单位区别的，每个页也是P个字节，不过是叫物理页。
+ L2 Z! ^8 ~# l/ w" d( c
' A, f. ]. q$ W) i% g3 v! R虚拟存储机制是用物理内存做为缓存的，下面我们来看一下：

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