进程和内存的桥梁——页表技术(x86-64Linux下)

其实这篇文章是printf("%d%d%d",i++,i++,i++)的后续。

需要注意的名词:

地址空间和内存空间

序:

我之前在写完printf函数传参之后,所有的技术层面全在操作系统给我们提供的进程抽象之上,但是,作为一个决定挖坑到底的C程序员,我们继续讨论我们关于“内存”这个神坑。

下面是x86-64Linux操作系统给我们提供的,进程(逻辑)地址空间:

图片发自CSAPP

这个图很经典,刚入坑的朋友可以留个心眼,入坑已久的,不用我多说,自然是倒着也能画出来了。

这个图是结果,我们要找的是它的根,但是我们在下面的讨论,并不以x86-64Linux内核真正的内存映射方式为例,而是仅仅从分页技术的角度去讨论。至于原因,很简单我们是来填坑的,一旦使用了更大的技术,那么我们最终填的坑还不如挖的坑多,所以我们的目标很明确——填小坑。

1、对于内存:我们将内存抽象成一个连续的数组空间(关于内存的层次存储结构的坑,我在之后会填上)。

2、对于进程:由序中进程地址空间的结果可以知道,最终我们的操作系统给内存形成了一个连续的地址空间。

我们的最终结果是把内存和进程联系起来,当然,还有很多其他的引导思路的方式(重定位——静态重定位、静态重定位;对换技术;分区法)。当然我这里是引述的某本我觉得还行的书籍上的内容,我自己还没有形成体系。

呃呃呃,又扯远了。对了,上面的坑,我不负责填。

页表——内存和进程的桥梁

既然是桥梁,当然是这头连着进程,那头牵着内存。放下大图:

“喏,我们的桥就是这个样子”

1、桥梁存在的目的:

方便一个进程使用不连续的(物理)内存空间,想象一下,在内存不足的情况下,如果每个进程都使用连续的内存空间,那么我们的内存一次只能加载少量的进程,那么将消耗更多的时间从硬盘加载进程到内存,而在加载的时间我们的CPU极有可能处于空闲状态,那么我们的程序运行上就感觉很慢,客户体验极差。

我来翻译一下桥梁是怎么连接内存和进程的:

2、逻辑地址空间分页:

我们把进程最终的地址空间划分成相等的若干部分,我们称每一个部分为一。每页都有一个地址编号,我们称为页号。且从0开始依次编排,如0,1,2,3...

3、内存空间分块:

我们把内存等分成与一个页相等的若干部分,每个部分称为内存块。同样,对他们进行编号,块号从0开始依次编排:0#块,1块,2#块,3#块...


页或块的大小是由硬件(系统)确定的,它一般被选择为2的若干次幂。例如,IBM AS/400规定的页面大小为512B,而Intel 80836的页面大小为4KB(即4096B)。所以不同的机器页面大小有所不同。

我们现在得到了几个零散的概念,我在这里再重新梳理一遍:

进程空间的页,内存空间的块,桥梁。

我们的空间页和内存块都是一段绝对连续的线性字节数组,我们要把空间页和内存块连接起来,现在猜测,有一种可能的方式:页表的任一项的一段保存某一空间页的首地址,另一段保存块的首地址。好像没有什么毛病,对吧。但是,这种方式并不利于我们的数据寻址。为什么不利于,这个坑,我也不填。



4、而实际上的联系

我们并不是在页表的每一项保存页和块的首地址,而是页号和页内地址

例如:我们的进程中有一条代码的指令是:LOAD 1,500,它实现把500号单元的数据装到寄存器1中去。这里的500还是我们程序被编译好之后的可重定位地址,还是相对地址。我们首先从地址A(这里是500),由分页地址映像硬件自动得到我们的页表项内容:页号和块号桥(p,d)。然后以页号p为索引去检索页表,得到我们的块号f,然后由块号f和页内地址d在内存空间中进行数据检索。下面是详细图:

每个作者有不同的理解方式,这是某本书原作者的内容

经过上述的步骤,我们的进程地址空间和内存空间就形成了一个良好的联系。再啰嗦一句,上面我只提到数据寻址,其实我们往内存中保存数据时就是这种方式,所以才能有我们数据寻址的结果。

页号p和页内地址d的求值方式


还是从某书的照片,我太懒了,直接看图吧
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