本文將從高層次探討什么是虛擬內(nèi)存、它存在的原因以及它是如何工作的。

在之前的文章中，我們討論了CPU 緩存的好處。緩存是由于內(nèi)存訪問速度和 CPU 處理能力之間的差異而發(fā)明的。通過使用硬件緩存，最近從主內(nèi)存加載的項(xiàng)目存儲(chǔ)在更小的內(nèi)存中，更靠近 CPU，以便在需要時(shí)可以快速檢索它們。因此，緩存解決了速度問題。

但是容量呢？

在本文中，我們將了解什么是虛擬內(nèi)存以及它如何幫助解決 CPU 容量問題。

內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以同時(shí)運(yùn)行數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)不同的應(yīng)用程序。由于內(nèi)存是一種有限資源，隨著越來越多的應(yīng)用程序消耗它，性能可能會(huì)下降，甚至完全停止。這就是虛擬內(nèi)存的用武之地。圖 1 顯示了一個(gè)內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)，包括高速緩存、主內(nèi)存和虛擬內(nèi)存。

圖 1. 內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)

如圖 1 所示，虛擬內(nèi)存的存在是為了增加系統(tǒng)的內(nèi)存容量。這是通過將磁盤驅(qū)動(dòng)器的一部分作為“看起來”像主內(nèi)存的專用內(nèi)存塊分配給可能需要它的任何應(yīng)用程序來完成的。

為了防止磁盤訪問降低速度性能，主內(nèi)存充當(dāng)虛擬內(nèi)存的完全關(guān)聯(lián)緩存，存儲(chǔ)最近訪問的磁盤位置。因此，通過使用虛擬內(nèi)存，主內(nèi)存成為緩存層次結(jié)構(gòu)中的另一層。

雖然細(xì)節(jié)超出了本文的范圍，但應(yīng)該注意的是，虛擬內(nèi)存是通過計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)和處理器的內(nèi)存管理單元 （MMU） 之間的交互來管理和控制的。

緩存與分頁

回想一下，高速緩存將物理內(nèi)存地址分解為多個(gè)字段。這樣做是為了識(shí)別存儲(chǔ)最近訪問的數(shù)據(jù)的緩存條目。對(duì)于完全關(guān)聯(lián)的緩存，這些字段是緩存標(biāo)記和字節(jié)偏移。緩存條目由匹配的標(biāo)簽和包含數(shù)據(jù)的緩存塊組成。

如果沒有找到匹配的標(biāo)簽，這稱為緩存未命中。

圖 2. 緩存命名法

虛擬內(nèi)存的工作方式類似，但使用虛擬地址的概念。

虛擬地址由虛擬頁號(hào)和頁偏移量組成。虛擬地址用于定位內(nèi)存中稱為頁框的項(xiàng)，通常大小為 4kB。

頁框包含頁框號(hào)和實(shí)際數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)稱為頁。

頁偏移量用于訪問 4kB 頁內(nèi)的單個(gè)字。如果虛擬地址不指向在物理內(nèi)存中找到的位置，則會(huì)發(fā)生頁面錯(cuò)誤，并且系統(tǒng)必須向磁盤驅(qū)動(dòng)器發(fā)出請(qǐng)求的數(shù)據(jù)。當(dāng)確實(shí)發(fā)生頁面錯(cuò)誤時(shí)，磁盤上的頁面被移動(dòng)到內(nèi)存中的頁面框架。在主存和磁盤之間移動(dòng)頁面稱為分頁（或交換）。

圖 3. 分頁命名法

由于使用虛擬內(nèi)存來擴(kuò)展系統(tǒng)內(nèi)存的容量，因此需要一種既考慮磁盤上的位置又考慮主內(nèi)存中的位置的尋址方案。這就是虛擬地址的用武之地。

虛擬地址跨越磁盤驅(qū)動(dòng)器和主內(nèi)存，導(dǎo)致虛擬地址多于物理內(nèi)存地址。因此，在訪問頁面中的數(shù)據(jù)之前，系統(tǒng)必須確定該數(shù)據(jù)是駐留在物理內(nèi)存還是虛擬內(nèi)存中。這是通過地址轉(zhuǎn)換完成的。

圖 4. 虛擬地址映射到虛擬和物理內(nèi)存

地址翻譯

如前所述，物理內(nèi)存充當(dāng)虛擬內(nèi)存的完全關(guān)聯(lián)緩存?；叵胍幌?，完全關(guān)聯(lián)的緩存是具有多個(gè)條目的單個(gè)集合。每個(gè)條目都與緩存標(biāo)記進(jìn)行比較以進(jìn)行匹配。由于頁面大小為 4kB，即使是小型虛擬內(nèi)存系統(tǒng)也需要數(shù)千個(gè)比較器電路。為了解決這個(gè)問題，使用了頁表。

頁表

頁表是一種將虛擬頁號(hào)（虛擬地址的一部分）映射到頁框號(hào)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

頁表包含每個(gè)虛擬地址的條目以及表示該頁面是否在物理內(nèi)存中的有效位。如果頁表項(xiàng)有效，則將頁幀號(hào)與頁偏移量（虛擬地址的另一部分）結(jié)合起來構(gòu)建物理內(nèi)存地址，即所需數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的存儲(chǔ)位置。圖 5 說明了如何使用頁表將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址。

圖 5. 使用頁表進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換

重要的是要記住，頁框號(hào)代表頁面的存儲(chǔ)位置，而物理地址代表頁面中單個(gè)字的位置。如果頁表項(xiàng)的有效位未設(shè)置，則虛擬地址必須映射到存儲(chǔ)在磁盤上的頁。

頁表本身與用于定位的頁一起存儲(chǔ)在主存中。因此，使用頁表，讀取或?qū)懭肴魏雾搶?shí)際上需要兩次內(nèi)存訪問。這似乎違反直覺，如果不是翻譯后備緩沖區(qū)或 TLB，它會(huì)導(dǎo)致很大的性能損失。

翻譯后備緩沖區(qū)

由于頁面大小為 4kB，因此頁面內(nèi)的數(shù)據(jù)同時(shí)表現(xiàn)出時(shí)間和空間局部性。這使得頁表?xiàng)l目成為緩存的完美候選者。

轉(zhuǎn)換后備緩沖區(qū)或 TLB 是一個(gè)小型的完全關(guān)聯(lián)緩存，用于存儲(chǔ)最近訪問的頁表?xiàng)l目。通過緩存最近使用的頁表?xiàng)l目，系統(tǒng)可以放棄多次查找頁表，從而避免兩次訪問內(nèi)存的問題。TLB 通常只包含幾百個(gè)條目，但它的命中率非常高（高達(dá) 99%）。

圖 6 顯示了一個(gè)具有四個(gè)條目的 TLB。

圖 6. 實(shí)現(xiàn)為全關(guān)聯(lián)緩存的簡(jiǎn)化 TLB

結(jié)論

本文介紹了虛擬內(nèi)存的概念。虛擬內(nèi)存是用于擴(kuò)展系統(tǒng)容量的內(nèi)存系統(tǒng)的擴(kuò)展。

虛擬內(nèi)存還允許在應(yīng)用程序或進(jìn)程之間保護(hù)和隔離內(nèi)存。它由計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)和處理器的 MMU 控制和管理。虛擬內(nèi)存通過分配一部分磁盤空間作為系統(tǒng)內(nèi)存的一部分來工作。

作為內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展，虛擬內(nèi)存已成為計(jì)算機(jī)整體架構(gòu)的基本組成部分。了解虛擬內(nèi)存可以增強(qiáng)您在日益復(fù)雜的世界中對(duì)計(jì)算機(jī)的理解。