虚拟内存发展

一、地址空间

最开始，程序员直接操作物理内存，此时的物理内存对于程序员来说是透明的。

多道程序的产生，使操作系统对进程有了时间共享的机制。但是衍生出很多问题：例如protection，即不能使每一个进程所占用的内存相互独立而互不访问。

所谓进程的地址空间即：包含正在运行的程序的所有内存状态（code 、 stack 、heap）

code：the instruction

stack：local variables ， pass parameters ，return value and from routine

heap： dynamically-allocation , statically-initialized variables

于是便有了虚拟内存（应用程序认为它拥有连续的可用的内存（一个连续完整的地址空间），而实际上，它通常是被分隔成多个物理内存碎片，还有部分暂时存储在外部磁盘存储器上，在需要时进行数据交换。目前，大多数操作系统都使用了虚拟内存，如Windows家族的“虚拟内存”；Linux的“交换空间”等。）

VM goal：transparent （透明）

efficiency （时间&空间）

protection

二、地址转换（Address translation）

最开始的地址转换很简单。

Dynamic （基于硬件） Relocation：为每一个进程添加一对寄存器（base and bounds），允许将地址空间放置在物理内存中的任何位置。

此时OS就分为内核模式（kernel mode），用户模式（user mode）：

kernel mode 在进程转换时进行对 base and bounds 的修改：创建新进程时，搜索空闲空间然后标记使用，进程终止时，OS将内存重新放回空闲列表中，进程切换时，保存和恢复base and bounds值对，发生异常处理时。

user mode 下执行用户的应用程序。

三、分段

每段都有属于自己的base /bound register对

protection bit:进程对段的读写权限。

外部碎片（external fragmentation）：free list 管理算法（first fit/best fit/worst fit）

分段存在的问题：

1.external fragmentation:通过压缩策略：能耗都很大

2.not flexible： large but sparsely-used heap 会占用大量空间。

四、Free-Space Management

策略：

Best fit
Worst Fit
Fist Fit
Next Fit:不从开始进行遍历，而是在列表中保留一个额外的指针，向下面继续遍历。

Segregation Lists：为某些特定需求大小的对象单独分配

Buddy Allocation ：在回收过程中，对buddy数据块进行检查，如果空闲则coalescing（合并）。

五、分页

以往的分段都是采用变长（variable-sized pieces）的进行使用内存，会产生外部碎片，分页对内存定长（fixed-sized pieces）进行分割。

于是便要有一个数据结构来存储这种地址转换----page table。

此外为了实现一些机制，增加了很多位。

valid bit （是否被分配）
protection bit
dirty bit
*access/reference bit

... ...

六 paging:faster Translation (TLB）

TLB（translation-lookaside buffer）转换检测缓冲区。MMU中的一部分

运用了程序的时间空间局部性（temporal locality and spatial locality）

复杂指令集（CISC--complex instruction set computing 图19.1）

精简指令集（RISC--reduced ... 图19.3）

同时加入进程共享机制：用ASID 代表 PID进行进程的区分

于是会有TLB替换策略LRU，随机等策略。