物理和虚拟寻址
主存被组织成一个由 个连续的字节单元组成的数组。每字节有一个唯一的物理地址 PA。直接使用物理地址进行寻址称为物理寻址。
在虚拟寻址中，CPU 生成一个虚拟地址来访问主存。这个过程中 CPU 上的内存管理单元 MMU 会将虚拟地址转换为物理地址，并利用存放在主存中的查询表来动态翻译虚拟地址，这个表由操作系统管理。
地址空间
一个非负整数地址的有序集合。如果电子科技中的整数连续，称为线性地址空间。 位的机器上有 个地址。
虚拟内存作为缓存
虚拟内存可以视作在磁盘上的数组，内容被缓存在主存中。 虚拟内存被分割为多个虚拟页，每个大小为 字节。 任何时刻虚拟页的集合分为三个不相交的子集：
- 未分配
- 缓存在物理内存中
- 未缓存在物理内存中
页表
判定一个虚拟页是否缓存，存放在哪个物理页。 每个页表条目 PTE 由一个有效位和一个 位地址字段组成。 有效位表明虚拟页是否被缓存。若设置，则地址字段表示物理页中的起始地址。若未设置，则地址字段指向磁盘上的起始位置或空地址。
页命中
访问的虚存数据位于物理内存中
页缺失
访问的虚存数据不位于物理内存中，触发缺页异常。 选择一个牺牲页，将新的虚拟页复制到物理页中，更新页表条目，重新执行指令。
虚拟内存的内存管理
每个进程有独立的私有虚拟地址空间，多个虚拟页可以被映射到同一个物理页上。 简化了链接和加载、代码和数据共享。
- 简化链接：对于 64 位地址空间，代码段总是从虚拟地址
0x40000开始 - 简化加载：只需创建新的进程，并将虚拟页标记为无效的
- 简化共享：
- 简化内存分配：分配一个适当个数的虚拟内存页面，并将它们映射到任意的 个物理页上
虚拟内存的内存保护
扩展 PTE，增加使用权限位。
SUP 位表示进程是否在超级用户模式下才能访问，READ 位和 WRITE 位控制对页面的读写访问。
如果违反，触发段错误。
地址翻译
基本参数：
- ，虚拟地址的地址数
- ，物理地址的地址数
- ，页面大小 虚拟地址组成部分：
- VPO：虚拟页偏移量
- VPN：虚拟页号
- TLBI：快表索引
- TLBT：快表标记 物理地址组成：
- PPO：物理页偏移量
- PPN：物理页号
页命中
- 处理器生成虚拟地址，传送给 MMU
- MMU 生成 PTE 地址，从主存中得到它
- 主存返回 PTE
- MMU 构造物理地址，传送给主存
- 主存返回请求的数据
页缺失
- 处理器生成虚拟地址，传送给 MMU
- MMU 生成 PTE 地址，从主存中得到它
- 主存返回 PTE
- 触发缺页异常
- 缺页处理程序确定牺牲页，若其被修改过，先存储到磁盘
- 调入新的页面，更新 PTE
- 重新执行导致缺页的指令
TLB 快表
关于 PTE 的缓存。
若 TLB 命中，则 MMU 可以直接从 TLB 取出 PLE，减少了一次内存访问。
若 TLB 有 个组， 项（称为 路组相连），则 TLB 索引 TLBI 是由虚拟页号 VPN 的低 位构成的，VPN 的剩余位（高 位）构成 TLB 标记 TLBT。
查找时，先取出 VPN 的低 位，再到对应快表中查找是否存在相同的标记位，若有则直接返回。
动态内存分配
动态内存分配器维护一个称为堆的进程虚拟内存区。 分配器将堆视为一组不同大小的块，它们要么是已分配的，要么是空闲的。
分配器类型：
- 显式分配器：要求应用显式地释放已分配的块，如 C 和 C++。
- 隐式分配器：要求分配器检测一个已分配的块何时不再被程序使用。隐式分配器也叫做垃圾收集器。如 JAVA
分配器的要求
- 处理任意请求序列
- 立即响应
- 只使用堆
- 满足对齐要求
- 只能使用空闲的块
- 不能修改已经分配的块
分配器的目标
- 最大化吞吐率，即单位时间内完成的请求数
- 最大化内存利用率，即峰值利用率，设总负载为 ，堆的大小为 ，峰值利用率为
实现问题
- 如何跟踪空闲块？
- 如何选择一个合适的空闲块来放置一个新分配的块？
- 如何处理分配后的空闲块的剩余部分？
- 如何处理被释放的块？
隐式空闲链表
对于每个块，需要记录其大小和状态。
可以给块增加一个双字对齐的条件，块的大小总是 8 的倍数，则块大小的低 3 位总是 0，可以用来编码状态信息。
放置
要选择用于分配的内存块，需要搜索整个链表，时间复杂度与总块数成线性关系。
- 首次适配
- 下一次适配
- 最佳适配
分割
分配空间小于空闲空间，将该块分割为分配块和一份新的空闲块。
合并
释放已分配块时，可能有其他空闲块与新释放的块相邻，此时可以选择将这两个相邻的空闲块合并。
- 立即合并
- 推迟合并 对于向后的合并，可以直接检查下一块的分配状态。 如何实现向前的合并？ 可以给每个块添加一个脚部（头部的副本） 事实上，只有空闲块需要脚部，对于已分配的块，可以在头部中空余的低位中标记前一块是否空闲。