什么是虚拟内存?,如何合理设置虚拟内存?
什么是虚拟内存?虚拟内存是什么呢?不少小白用户都不知道什么是虚拟内存?对于什么是虚拟内存,现在小编就来跟大家介绍下虚拟内存。
什么是虚拟内存呢?先查一下维基百科:
虚拟内存是计算机系统内存管理的一种技术。它使得应用程序认为它拥有连续可用的内存(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。与没有使用虚拟内存技术的系统相比,使用这种技术的系统使得大型程序的编写变得更容易,对真正的物理内存(例如RAM)的使用也更有效率。
对虚拟内存的定义是基于对地址空间的重定义的,即把地址空间定义为「连续的虚拟内存地址」,以借此「欺骗」程序,使它们以为自己正在使用一大块的「连续」地址。
也就是说虚拟内存能提供一大块连续的地址空间,对程序来说它是连续的,完整的,实际上虚拟内存是映射在多个物理内存碎片上,还有部分映射到了外部磁盘存储器上。虚拟内存有以下两个优点:
1.虚拟内存地址空间是连续的,没有碎片
2.虚拟内存的最大空间就是cup的最大寻址空间,不受内存大小的限制,能提供比内存更大的地址空间
虚拟内存是如何工作的呢?
创建一个进程时,操作系统(32位系统)会为该进程分配一个4GB 大小的虚拟内存。 之所以是4GB ,是因为在 32 位的操作系统中,一个指针长度是 4 字节(32位, 2的32次方个地址寻址能力是从 0x00000000~0xFFFFFFFF )即为 4GB 大小的容量。
一个进程用到的虚拟地址是由内存区域表来管理的,实际用不了4G。而用到的内存区域,会通过页表映射到物理内存。所以每个进程都可以使用同样的虚拟内存地址而不冲突,因为它们的物理地址实际上是不同的。比如进程A的0x12345678虚拟地址和进程B的的0x12345678虚拟地址映射的物理地址是不同的的。
我们现在使用的64位系统,虚拟内存最大有多大呢?是2的64次方吗?那将会有16EB的虚拟地址空间,1EB有多大呢?1EB = 1,000 PB = 1,000,000 TB = 1,000,000,000 GB 毫无疑问这是个非常巨大的数字,我们的系统根本不需要如此巨大的虚拟内存。现代的操作系统,比如,Windows在AMD64上的实现仅应用了最大256TB的虚拟内存。
cup要访问虚拟内存地址时,需要经过地址翻译成物理地址才能访问。比如下图(来自《深入理解计算机系统》)中,cpu要访问虚拟地址4100,需要通过专用的硬件内存管理单元(memory management unit)MMU来翻译成对应的内存物理地址4,然后cpu在内存地址4的位置上取到数据返回。
虚拟内存被分为一块块固定的大小,成为虚拟页(Virtual Page)简称VP,对应的物理内存也被分成一块块同样的大小,成为物理页(Physical Page)简称PP。磁盘和内存之间是以页为单位进行数据交换的。
cpu怎么知道某一个虚拟页是否缓存了数据?缓存在内存中还是磁盘中呢?
这就需要一张表格来记录了,这就是页表。
页表第一列valid 如果是0表示该虚拟页未被缓存,1表示已经缓存了数据。
第二列蓝色的表示数据缓存在内存中,白色的表示数据缓存在磁盘中。
页命中
当cpu要访问PTE2(箭头所指的位置)的数据时,发现valid标志位为1,所以表示该虚拟页已经被缓存了,由于页表中的地址指向内存中的VP2数据块,所以cpu直接从内存中读取数据VP2,这种情况就叫做页命中。
缺页
当cpu要访问PTE3(箭头所指的位置)的数据时,发现valid标志位为0,所以表示该虚拟页未被缓存,这时会触发一个缺页异常,cup根据页表第二列的指针找到磁盘中对应的数据块VP3,然后根据规则选择一个内存中的牺牲页,把VP3覆盖到内存中。
上图中的内存中的vp4被替换成了VP3,valid的值从0变成1。
缺页异常返回后,会重启缺页指令,并更新虚拟地址,cpu再次访问PTE3的时候就能命中页,取到数据了。
总结
当每个进程创建的时候,内核会为每个进程分配虚拟内存,这个时候数据和代码还在磁盘上,当运行到对应的程序时,进程去寻找页表,如果发现页表中地址没有存放在物理内存上,而是在磁盘上,于是发生缺页异常,于是将磁盘上的数据拷贝到物理内存中并更新页表,下次再访问该虚拟地址时就能命中了。
现在你是不是对虚拟内存的工作原理更加了解了呢?