1.虚拟存储器
作用
1.为了给每个进程提供一致的地址空间（都从0开始），方便内存管理。
2.保护每个进程的数据不会因为其它进程而被破坏。
基于以上的原因，有了虚拟存储器，虚拟存储器是在硬盘上的一个文件，例如我们申请20G内存，其实只是在硬盘上创建了一个20g的文件，内存中只会有我们频繁读写的数据，换句话说内存是这个文件的缓存。
这是一个32操作系统的虚拟存储器图
结构
为了对所有进程一致，下方是低地址从0开始。
堆指针从低地址为向高地址为移动，通过malloc申请内存，通过free释放。一般适合零散内存的申请。
映射区域可以把外部的文件映射到虚拟存储器中，可以实现不同进程的内存共享，但调用成本高，适合大块内存的申请。
管理
1.硬盘到物理内存
内存管理
其实虚拟存储器的内存管理还是要依赖cpu的支持，在上一篇文章中我们提到，cpu为了实现虚拟地址到物理地址的映射，提供了mmu单元，支持多级页表，这就是他支持页式管理的基础。现在高端的cpu一般提供3种内存管理方式，页式管理、段式管理、段页式管理。
页式管理的内存页大小固定(4k)，管理简单、没有碎片，但大小不能兼容程序需求。
段式管理大小不固定，可以保证程序一次需要的数据完整加载到物理内存。
段页式管理是页式和段氏管理的结合，段由多个页组成，但查询时需要多次映射才能找到。
linux使用了段页式的管理方式，但对段氏依赖较少，方便兼容不同的cpu，简化管理逻辑。
内存页置换算法
物理内存作为虚拟内存的缓存，肯定需要一个过期策略，常用的策略有FIFO先进先出，LRU最近未使用，LFU最不常用，但这些方法不是效果不好、就是实现成本高所以并未使用到虚拟内存的管理中。
时钟置换算法，每页都会有两个标记，表示最近是否有修改和使用。
每次需要淘汰页时，都会轮训所有页。如果完成一步后淘汰页不够，则继续执行下一步。
第一步，淘汰，未访问、未修改的页。
第二步，有访问、未修改。并把所有页的被访问标记清除。
第三步，未访问、有修改。清除修改标记。
第四步，有访问、有修改。
内存页被淘汰后，如果有修改则需要把数据写回到硬盘，所以叫置换算法。
2.物理内存
内存页因为大小固定、每页有4k大小，我们申请内存不能保证大小一致，所以为了解决这种情况下的内存碎片问题，常用的物理内存管理算法有2种。
1.伙伴算法
负责大块连续内存的分配，以页为最小单位，避免了页外部的碎片。伙伴算法会维护11个链表，对应单个页、连续2个页、连续4个页、连续8个页以此类推。
假设我们申请一个3页大小的内存，伙伴算法会给我分配一个4页大小的块。但当4页的链表中没有空闲时，会从上层8个页中拆成2个4页，然后一个分配给我们使用，一个维护到4页的链表中。
当释放一块内存时，他会和附近的相同大小的内存尝试合并，例如我释放了一个2页的块，相邻的块也是2页大小，也空闲中，就会合并成一个4页的块，然后继续向上合并，直到无法合并。
1.SLAB
slab适合频繁申请释放的小块内存，一个slab分配器对应1页或多页。slab会把内存分成几类大小相同的块，大体可以理解为大中小三类，我们申请内存时分配合适大小的块，释放时也不会像伙伴算法时合并，有些类似内存的缓存池。
3.高速缓存
相比主存的以页为单元的管理方式，高速缓存也采用了类似的方式，但因为高速缓存大小有限，所以我们一般称为行或块，通常64个字节。
高速缓存作为主存的缓存同样需要缓存的加载和淘汰策略，但复杂的淘汰策略成本太高，所以高速缓存和主存之间采用映射的方式。
映射方式
高速缓存由很多行组成，几行为一组，每组映射到物理内存中的一块。从高速缓存中查询数据分为三步，选择组、选择行、选择字。
1.直相连映射
主存的一块只能映象到Cache中指定的一块中，即每组只有1行。
通过简单的取模运算选择组，然后通过比较行标识确定是否命中，命中则再选择所要的字。
例如缓存中是2组每组1行，主存中10块，主存中1-5块只能映射到缓存中第1组，6-10块只能映射到缓存第2组。
直相连每组只有1行，所以就是直接替换，但有个问题，当我们频繁访问同一块内存的不同2行时，会不断的切换高速缓存中行，造成抖动问题。
2.组相连映射
主存的一块只能映象到Cache中指定的一块中，即每组只有多行。
通过直相连的方式选择组，循环行比较行标识确定是否命中。命中则选择字。
组相连一般采用LRU的替换算法。
3.全相连映射
主存中每块都能映射到缓存中的任意一块，即只有1个组。
只有1组无需选择，循环匹配所有行，命中再选择字。
全相连一般也采用LRU的替换算法。
一般L3和主存之间是组相连，L1与L2、L2与L3为直相连、TLB和PTE之间为全相连。
缓存行一致协议
高速缓存中L1、L2为每个核自有，为了保证运算器读取到准确的数据，CPU要维护缓存与主存、每个核的L1和L2之间的一致性。
高速缓存更新
1.写回法
更新缓存中的数据时，并不立刻更新主存，而是等待缓存被替换时再写回主存。
2.全写法
更新缓存中的数据时，同时更新主存。
3.第一次写
第一次更新缓存时写回主存。
MESI协议
高速缓存中每个行都有2bit的标识位
