地址转换

复习

分段：按代码、数据和栈划分内存，以及外部碎片从何而来
页与分页：把虚拟内存和物理内存都切成固定大小的块
页表：记录虚拟页与物理页帧的对应关系

TL;DR

虚拟地址 = 页号 + 页内偏移
用页号查页表，得到物理页帧号
物理地址 = 页帧号 + 页内偏移（偏移原封不动）
这一整套换算，由 CPU 里的 MMU 硬件自动完成

正文

　　前面把工具都备齐了：分页、页表。现在把最关键的一步走通——一个虚拟地址，究竟怎样变成物理地址？

把地址拆成两段

　　还记得吗，虚拟地址可以拆成两部分：

虚拟地址 = [ 页号 ][ 页内偏移 ]

　　转换的过程，正好分工明确：

页号：拿去查页表，找出对应的物理页帧号
页内偏移：原样保留，不动

　　最后拼起来：

物理地址 = [ 物理页帧号 ][ 页内偏移 ]

　　为什么偏移可以不动？因为虚拟内存和物理内存切成了同样大小的块，页内的相对位置不会变——页里的第 12 个字节，搬到物理页帧后还是第 12 个字节。

走一个例子

　　假设页大小是 4 KB（页内偏移占 12 位），某进程的页表里记着“虚拟页 2 → 物理页帧 9”。

虚拟地址：页号 2，偏移 100
查页表：  2 → 页帧 9
物理地址：页帧 9，偏移 100

　　不管虚拟页 2 被放到了物理内存的哪里，只要页表记着它，就能找到；而偏移 100 从头到尾没变。

谁来做这件事

　　这么频繁的换算，当然不可能让程序自己做。CPU 里专门有个硬件负责它，叫内存管理单元（MMU，Memory Management Unit）。

　　它的工作就两件：

拿页号去查页表（页表的起始位置由内核通过一个寄存器告诉它）
拼出物理地址；如果发现页表说“这一页不合法”或“不在内存”，就触发异常交给内核

　　对程序来说，这一切都是透明的：它只管用自己的虚拟地址，完全不知道背后发生了查表和拼接。又是一层被藏起来的细节。

新问题：查表太慢

　　思路清楚了，可性能问题也冒了出来。每访问一次内存，都要先查一次页表——而页表本身也在内存里。于是一次内存访问，可能变成两次：先读页表，再读写真正的数据。

　　程序每执行一步都在访存，这样翻倍的开销谁受得了？下一章，我们给页表加一层缓存来解决它。

思考题

　　地址转换里，为什么页内偏移可以直接照搬，而页号必须查表？如果页大小不是 2 的整数次幂，这种“拆成两段”的办法还能用吗？

小结

知识点

虚拟地址拆成页号与页内偏移
页号查页表得页帧号，偏移保持不变
物理地址 = 页帧号 + 页内偏移
MMU 负责整个换算过程

参考资料

Wikipedia(zh)：内存管理单元：MMU
Wikipedia(zh)：分页：地址转换

　　页内偏移可以直接照搬，是因为虚拟内存和物理内存切成同样大的块，页内的相对位置不会改变；只要知道“这一页搬到哪个页帧”，页内第几个字节就还是第几个字节。页号则没有这个便利——每一页被放到哪个页帧是任意的，必须查表才知道。至于“拆成两段”，它依赖页大小是 2 的整数次幂，这样页号的位数和偏移的位数刚好是简单的二进制切分，用位运算就能拆。若页大小不是 2 的幂，拆分和拼接就会变复杂，所以现实中页大小几乎总是 2 的整数次幂。