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Main memory

在计算机系统中，内存碎片通常分为两种类型：内部碎片和外部碎片。它们都与内存的分配和使用方式有关，但表现形式和影响不同。

碎片（fragment）

1. 内部碎片（Internal Fragmentation）

内部碎片指的是分配给程序或进程的内存块中的“浪费空间”。这种情况发生在内存分配的块大于实际需求时，导致一部分内存未被有效利用。

2. 外部碎片（External Fragmentation）

外部碎片是指内存中有多个不连续的空闲块，虽然空闲内存总量足够，但由于这些空闲块并不连续，导致无法分配给大的程序或数据。

页框（page frame）

  • 页框是物理内存的基本分配单位。当操作系统从虚拟内存中请求某一页的内容时，它会将该虚拟页映射到一个物理页框中。

  • 页框是物理内存的划分方式，与虚拟页相对应。操作系统通过页表将虚拟地址空间映射到这些物理页框。

页表（page table）

页表是操作系统中用于实现虚拟内存与物理内存映射的数据结构。它将虚拟地址空间中的虚拟页（Page）与物理地址空间中的物理页框（Page Frame）建立映射关系。现代系统中，页表通常采用多级结构（如二级页表、三级页表等）来减少内存开销。

页表项（Page Table Entry，PTE）

每一项通常包含虚拟页到物理页框的映射信息，可能还包含其他控制信息（如权限位、有效位等），具体为： - 物理页框号（PFN） - 有效位：有效位为 1 表示该条目有效且页面已经映射到物理内存中 - 权限位（读、写、执行权限等）：通过控制对内存页面的访问权限，实现内存隔离，防止非法访问 - 脏位：标记页面是否被修改。如果页面在内存中被修改过，脏位将被设置为 1。脏位的作用是告知操作系统，页面需要在从内存交换到磁盘时进行写回。 - 引用位：引用位用于表示页面是否在一定时间内被访问过。当页面被访问时，操作系统会将该位设置为 1。这有助于操作系统实现页面替换策略，例如 LRU（Least Recently Used） 替换策略。 - 用户/内核访问控制 - 缓存控制和页大小等

TLB（Translation Lookaside Buffer）

TLB：转译后备缓冲区。硬件缓存，存储最近使用的虚拟页到物理页框的映射，以减少每次访问内存时对页表的查询，从而提高内存访问速度。

  • 字段：包括页表条目中部分信息
  • 虚拟页号（VPN，Virtual Page Number）：虚拟地址的页号部分，用于查找页表的映射。
  • 物理页框号（PFN，Physical Frame Number）：虚拟页映射到的物理页框号。
  • 标志位：如有效位（valid bit）、权限位（如读/写权限）等。
  • 替换策略信息：如 LRU 计数等，用于决定哪个条目应当被替换。

内存共享

在多个进程之间共享内存时，多个虚拟地址空间可能映射到相同的物理内存页。例如，不同的进程可以通过映射相同的物理内存来共享数据，这样就可以实现进程间的高效数据交换。

分层页表（Hierarchical Page Tables）

  1. 引入原因：在传统的单层页表（如 单级页表）中，虚拟地址空间的每一页都需要一个对应的物理页面地址，页表本身通常是一个巨大的数据结构，随着虚拟地址空间的增大，页表的大小也会急剧增加，这会导致存储和查找效率的下降。

为了解决这一问题，操作系统引入了 分层页表 结构，这样每个页表条目指向下一级页表，最终通过多级结构映射到物理内存。 2. 原理：

  • 多级结构：将页表划分为多级（如两级、四级），虚拟地址分段用于各级索引。

示例（32位两级页表）： - 虚拟地址分为：10位页目录索引 + 10位页表索引 + 12位页内偏移。 - 页目录（Page Directory）：1024项，每项指向一个页表（4KB）。 - 页表（Page Table）：1024项，每项指向物理页框（4KB页）。 - 按需分配：仅分配实际使用的页表，未使用的页目录项标记为无效，节省内存。

哈希页表（Hashed page table）

  • 通过使用哈希表来管理虚拟地址到物理地址的映射，特别适合于虚拟地址空间稀疏的场景。它能显著减少内存消耗并提高查找效率，尤其在大虚拟地址空间的情况下。然而，哈希冲突和内存管理的复杂性也可能影响其性能。

  • 哈希页表的关键思想是利用哈希表的结构来存储页表项。在哈希页表中，虚拟地址的页号（VPN, Virtual Page Number）通过哈希函数映射到哈希表中的一个桶（bucket）。每个桶包含一个链表，链表中的每个元素存储一个虚拟页号与物理页号之间的映射。

EAT（effective access time）

即有效访问时间，是衡量内存访问延迟的一个指标，尤其是在虚拟内存系统中，综合考虑了 缓存命中率 和 页故障率 等因素后，计算一次内存访问所需的平均时间。

有效访问时间通常是用来评估操作系统在内存管理中的性能，特别是在分页和虚拟内存环境下。它考虑了 缓存访问、页表查询、以及 缺页中断（page fault）等因素。

EAT 的基本公式

有效访问时间（EAT）可以通过以下公式来计算：

\[ EAT = (1 - p) \times (T_{hit}) + p \times (T_{fault}) \]

其中： - \( p \) 是 页故障率（Page Fault Rate），即访问的虚拟地址发生页故障的概率。 - \( T_{hit} \) 是 缓存命中的时间（Time to access memory when there is no page fault），即访问内存时，不发生页故障的时间（通常是对 TLB 或一级缓存的访问时间）。 - \( T_{fault} \) 是 页故障时间（Time to access memory when a page fault occurs），即发生页故障时的访问时间，包括查找页表、磁盘 I/O 等时间。

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