操作系统

虚拟内存:程序看到的地址是怎么翻译的

每个程序都以为自己独占一大片内存,其实背后有一层翻译。

概况

以 Linux 上一个程序读取自己内存中的一个变量为例,只讲概念。

一句话总结
程序用虚拟地址,硬件按页表翻译成物理地址
好处
隔离、布局统一、物理内存可以不连续
页
Linux 在 x86-64 上通常以 4KB 为一页;大页(如 2MB)用来减少翻译开销
页表
每个进程一套,由内核维护
TLB
最近翻译结果的缓存
权限位
每页记着可读、可写、可执行、用户可访问,违反即触发异常
多级页表
x86-64 通常 4 级,只为用到的区域建表
写时复制
fork 后共享只读页,写时才复制
swap
不常用的页换到磁盘;频繁换页叫抖动

步骤 4 / 9

多级页表:省下页表本身的空间

地址空间很大但大部分没用,所以页表分层,只为用到的部分建表。

如果给整个 64 位地址空间建一张平铺的大表,光页表就要占海量内存。 x86-64 Linux 通常用 4 级页表(新 CPU 可用 5 级):像目录树一样一级级往下查,没用到的分支整片不建。 代价是一次翻译要查好几层,这正是下一步 TLB 要解决的问题。

程序
地址翻译
物理内存
程序
地址翻译(MMU)
物理内存
逐级查表:4 级
事件日志(4)
当前状态发生了什么
用户态程序想读取一个变量
用户态地址落在“堆”区域
用户态查页表,得到物理地址
翻译中逐级查找页表