【CSAPP】虚拟内存 | 地址空间 | 页表内存保护 | 页错误引发异常逐出 (evicted)

💭 写在前面：本文将学习《深入理解计算机系统》虚拟内存部分，CSAPP 是计算机科学经典教材《Computer Systems: A Programmer's Perspective》的缩写，该教材由Randal E. Bryant和David R. O'Hallaron 合著。

0x00 回顾：进程的概念（Processes）

"Definition: A process is an instance of a running program"

📚 定义：进程是正在运行的程序的实例。

可以这么说：当可执行文件被加载到内存中时，该程序就成为了一个进程。

• 进程可谓是计算机科学中最成功的想法之一。
• 不同于 "程序" 或 "处理器"。
• 进程具有程序执行的上下文（状态）的能力。

进程为每个程序提供了两个关键抽象：

① 逻辑控制流 (Logical control flow)：

• 每个进程 "似乎" 都有自己的 CPU。
• 由称为上下文切换 (virtual memory) 的内核机制提供。

② 私有地址空间 (Private address space)

• 每个进程 "似乎" 都独占内存 (memory)。
• 由称为虚拟内存 (virtual memory) 的内核机制提供。

0x01 私有地址空间的错觉

使用物理地址的系统：用于 "简单 "系统，如汽车、电梯等的嵌入式微控制器。

使用虚拟地址的系统：在所有现代服务器、笔记本电脑和智能手机中使用，计算算机科学中的一个伟大想法。

0x02 地址空间（Address Spaces）

线性地址空间：连续的非负整数地址的有序集合：

虚拟地址空间： 个虚拟地址的集合：

物理地址空间： 个物理地址的集合：

0x03 虚拟机作为内存管理的工具

关键思想是让每个进程都有自己的虚拟地址空间，每个进程都可以把内存看作是一个简单的线性阵列，地址转换在物理内存中映射这些地址。

页是地址管理的基本单位（通常为4KB）：每个虚拟页将被映射到一个物理页。

允许进程之间共享代码和数据：通过将虚拟页映射到同一物理页。

0x04 启用数据结构：页表

页表 (page table)，是一个页表项（PTE）阵列，将虚拟页映射到物理页。

• 物理内存（DRAM）中的每进程内核数据结构
• 特殊寄存器（PTBR）告诉CPU页表的地址

0x05 虚拟内存和硬盘

并非所有的虚拟页都能被映射到物理页上，因此，我们实际上将所有的虚拟页都存储在硬盘中（其大小相对较大）。而部分虚拟页被加载到物理内存中，这类似于 "缓存 "的概念

页命中 (page hit)：对物理内存中的虚拟地址的访问。

页错误 (page fault)

如果访问到了一个不在物理内存中的虚拟地址，就会发生页错误 (page fault)，扑了个空。

页错误的处理：页面错误导致 CPU 异常

页错误在 CPU 中引起异常，页错误处理程序会选择一个 "受害者" 将其 逐出 (evicted) 。

下图例子中，VP4 被逐出：

错误指令重新启动：页面命中 (page hit) ！

0x06 页表的内存保护

用权限位扩展PTE，"SUP " 位表示监督者（内核）模式。

你的硬件在每次访问时都会检查这些位。

📌 [ 笔者 ]   王亦优
📃 [ 更新 ]   2023.5.22
❌ [ 勘误 ]   /* 暂无 */
📜 [ 声明 ]   由于作者水平有限，本文有错误和不准确之处在所难免，
              本人也很想知道这些错误，恳望读者批评指正！