第4章 虚拟内存

虚拟内存让每个进程看到独立、连续而且通常比物理内存更大的地址空间。它同时解决三个问题：程序如何方便地使用地址，多个进程如何隔离，有限内存如何按需分配并在必要时回收。

地址翻译主线

CPU 产生虚拟地址
  -> TLB 尝试命中翻译
  -> 未命中则查询多级页表
  -> 权限或存在位不满足则触发缺页异常
  -> 内核建立映射，必要时换入页面
  -> 重新执行引发异常的指令

虚拟地址不是“假的地址”，而是进程使用的正式地址命名空间；页表和 TLB 负责把它映射到当前可用的物理页框。

小结目录

• 地址空间与分页：从基址—界限和分段的局限引出固定大小分页、共享与写时复制。
• 页表、TLB 与缺页：计算多级页表索引，区分 TLB miss、次要缺页和主要缺页。
• 页面置换与内存分配：比较 FIFO、LRU、Clock 与工作集思想，并连接伙伴系统和 slab 分配器。

学完应能回答

• 页大小为什么既不能无限小，也不能无限大？
• 多级页表怎样节省稀疏地址空间的页表内存？
• TLB miss 为什么不一定进入内核，缺页为什么也不一定访问磁盘？
• 写时复制如何让 fork 在常见情况下更便宜？
• 系统何时出现抖动，增加并发进程为何可能反而降低吞吐量？

与文件和 I/O 的连接

文件映射页和匿名页都由虚拟内存管理。页缓存中的文件数据可以直接映射进进程地址空间；内存压力下，干净文件页可直接丢弃，脏页需要先写回，匿名页则可能进入交换空间。下一章会把这些路径接到文件系统和块设备。