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！
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       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。

# j: V2 U- M( W6 R1 U% i       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：
6 v; [  h3 a& v; q, y4 W
" C: ~+ l5 F  {6 x1.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。
4 j6 E' y: q' @+ s6 o; A
% R9 j3 a$ I9 Z/ f% {' d. y1 |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。

一直这样做也会使得物理存储器特别容易损坏。
2 {& f6 ?" B! }) b2 F0 ^# `2 \2 l
       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。

5 S) u) j$ f6 Z& q9 o& b; u+ j* q一. 虚拟寻址
, g/ K6 G) w* M0 w

, K! Y' G) m6 P8 X0 M# X
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。

0 ~# H4 ?- U! U7 G5 r/ V首先忽略高级缓存L1,我们只看处理器，MMU，还有物理存储器。

8 |% A$ |$ d& S2 q1 N  U* j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。
# A! W6 l1 D0 @3 W
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。
# L) f$ Z7 k0 v2 l0 @8 f" F: T
8 {9 M* B+ P9 ^* F3 V3 j
; c3 t& T1 Z$ J9 E6 A) y8 h  [二. 地址空间
6 m7 T: m4 U1 J/ I# S/ a% x, p
1 |) o- P0 d/ ^) o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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三.虚拟存储器结构
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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。
6 r/ a# m/ X+ A; w3 N& Y
虚拟存储器以虚拟页为单位，每个页有P个字节。
0 G' ^! K3 V* x6 f2 {
4 U! Z8 o8 ^! v1 h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。
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3 ~1 J+ {* @+ i$ \6 Y& w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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