内存虚拟化的目的是为进程创造独享大量虚拟内存的错觉，通过地址映射（Address Mapping）将进程的虚拟地址空间转换为硬件的物理地址。

1.1 虚拟地址空间的抽象

地址空间（Address Space）是程序可视的系统内存，包含其运行所需的代码和数据。每个程序运行在各自的地址空间中，实现了强隔离。用户进程使用的是虚拟地址（Virtual Address, VA），通过硬件（例如内存管理单元，Memory Management Unit, MMU）和操作系统协同实现的地址转换机制，将虚拟地址转换为物理地址（Physical Address, PA）。

物理地址结构与平台相关，通常不仅包括RAM，还包括I/O设备的内存映射和启动ROM。内核虚拟地址空间由内核设计，包含内核代码、数据、内核栈及可分配给用户程序的内存等；而用户进程的虚拟地址空间由内核提供，涵盖了用户代码、数据、栈和堆等。

在C语言中，变量直接声明使用栈内存，而堆内存则需要使用内存分配函数手动管理，如：

  • malloc()：申请指定大小的堆内存，成功时返回地址，失败时返回NULL。
  • free()：释放已申请的内存。

上述两种内存管理的区别在于：堆内存可跨越函数调用持续存在，而栈内存会在函数返回后自动释放。此外，程序所操作的API皆基于虚拟地址。

内存分配的底层通过系统调用（以Linux为例）实现：

  • brk()：调整程序数据段的结束位置，以扩展或缩小堆的大小。
  • sbrk()：增加或减少程序数据段的大小，返回新的数据段结束位置。

这些调用实际上是在改变堆内存结构，扩展程序可用的内存空间。此外，与内存映射I/O相关的调用有：

  • mmap()：将文件或设备的部分映射到内存中。
  • munmap()：解除文件或设备在内存中的映射。

1.2 地址转换方法

1.2.1 地址转换策略演变

策略 说明 硬件支持 演进 缺陷
基址+界限（Base and Limit Registers） 整块内存分配，利用基址计算PA=VA+base，且VA需小于界限 需要MMU寄存器 简单直接 内存利用率低，导致碎片
分段（Segmentation） 地址空间分段，使用段号及偏移量来定位 需要寄存器存放段信息 减少内部碎片 产生不等大小的空闲空间（外部碎片）
分页（Paging） 固定大小的内存页与页框映射 页表寄存器和地址转换单元 消除外部碎片 地址转换开销大
段页式（Segmented Paging） 多段页表减少页表大小 所需寄存器和硬件单元 不依赖段分配内存 大稀疏堆仍有页表浪费
多级页表（Multilevel Page Tables） 多级页表减少不必要空间使用 多级页表结构减少内存占用 广泛应用 访存操作多，增加耗时

1.2.2 RISC-V系统（XV6）三级页表

XV6基于RISC-V平台，定义物理地址（Physical Address, PA）为56位，虚拟地址（Virtual Address, VA）为39位，使用三级页表索引。L2页目录存有L1页表信息，而L1页表包含L0页表信息。结构类似于Unix V6，页表项包括物理页号（Physical Page Number, PPN）和权限标志位。

地址转换示意图

1.2.3 X64硬件（Linux）四级页表

在x86-64架构的Linux系统中，采用四级页表结构，包括：

  • PGD（Page Global Directory）：页全局目录
  • PUD（Page Upper Directory）：页上层目录
  • PMD（Page Middle Directory）：页中层目录
  • PTE（Page Table Entry）：页表项

地址转换过程与RISC-V平台类似，但由于x86-64架构的复杂性，页表层级更多，以提供更细粒度的内存管理。每级页表通过指针链接，逐级索引，最终获取物理地址。

1.3 缓存和页面交换

即便使用多级页表，仍然存在以下问题：

  1. 多次访存查找页表导致的耗时开销。
  2. 页表和进程占用过多内存，可能导致RAM耗尽。

通过以下存储层级方案解决：

  1. 采用**TLB（Translation Lookaside Buffer）**缓存未来访问的映射关系。
  2. 使用外部存储进行页面交换（Page Swapping），记录过多的内存页面。

1.3.1 TLB机制

TLB是一种高效缓存最近使用的页表信息的硬件装置。访存时，系统首先查找TLB，若命中（Hit），则直接使用缓存的物理地址；若未命中（Miss），则触发异常，按页表流程查找，并将新的映射关系记录到TLB中。TLB满时，替换策略决定更新内容。

1.3.2 页面交换

页面交换（Page Swapping）是将不常用的页面从内存移至磁盘的过程。当访问某页时，若该页不在内存中，则引发页错误（Page Fault），系统将该页从磁盘换入内存。在内存空间不足时，操作系统根据替换策略选择换出页面，腾出内存空间。

1.3.3 替换策略发展

策略 解释 缺点
最优替换（Optimal Replacement） 基于未来访问预测，逐出最长时间不使用的页面 无法实现，因需提前知道未来访问顺序
FIFO（First In, First Out） 逐出最先进入内存的页面 容易出现抖动，导致频繁换页
随机替换（Random Replacement） 随机选择页面替换 命中率随机，可能导致效率低下
LRU（Least Recently Used） 逐出最少使用的页面 实现成本高，需维护最近使用信息
近似LRU（Approximate LRU） 定期清除访问标记，模拟LRU 参数选择影响命中率，精度较低

1.3.4 页错误

页错误分为以下几种情况：

  • 硬错误（Hard Fault）：页面在磁盘中，需要换入内存。
  • 软错误（Soft Fault）：页面在内存中，但未建立映射关系。
  • 段错误（Segmentation Fault）：访问了不在虚拟地址空间中的地址。

1.4 其他内存虚拟化机制

  • 惰性分配（Lazy Allocation）：延迟内存分配，直到确实需要时才进行实际分配。
  • 按需清零（Zero-on-Demand）：仅在写入前分配的内存区域返回已清零的内存。
  • 写时复制（Copy-on-Write, CoW）：fork()时子进程和父进程共享内存，只有在写操作发生时才复制内存页。
  • 按需调页（Demand Paging）：仅在需要时加载程序的代码和数据，减少不必要的内存占用。
  • 预取（Prefetching）：在访问一页后，提前将下一页调入内存，提高访问效率。
  • 集中写入（Write Gathering）：磁盘换入时，同时写回多个页面，提高I/O效率。
  • 内存映射I/O（Memory-Mapped I/O）：将文件或设备映射到内存，延迟到真正需要时再执行I/O操作。