信息安全系统设计基础第十四周学习总结

【学习时间：5小时】

【学习内容:第九章——虚拟存储器】

一、课本内容梳理

1.虚拟存储器

• 作用：

  1. 将主存看作是一个存储在磁盘上的地址空间的高速缓存，在主存中只保护活动的区域，并根据需要在磁盘和主存之间来回传送数据；
  2. 为每个进程提供了一致的地址空间，从而简化了存储器管理；
  3. 保护了每个进程的地址空间不被其它进程破坏

• 地位：

  1. 虚拟存储器是中心的：它是硬件异常、硬件地址翻译、主存、磁盘文件和内核软件的交互中心；
  2. 虚拟存储器是强大的：它可以创建和销毁存储器片、可以映射存储器片映射到磁盘某个部分等等；
  3. 虚拟存储器若操作不当则十分危险

2.虚拟存储器的基本思想

允许每个数据对象有多个独立的地址，其中每个地址都选自不同的地址空间（比如，虚拟地址空间或者是物理地址空间）。

3.虚存如何作为缓存工具？

• 理念：

  • 首先，VM上被组织为一个由存放在磁盘上的N个连续的字节大小的单元组成的数组。每个字节都有一个唯一的虚拟地址，这个虚拟地址是作为到数组的索引的。
  • 其次，VM系统将虚拟存储器分割为大小固定的虚拟页，每个虚拟页的大小为P=2^p字节；类似地，物理存储器被分割为物理页（也叫做页帧），大小也为P字节

• 虚存页面集合

  • 未分配的：VM系统没有将它们与任何数据关联起来，也不占用任何磁盘空间；
  • 缓存的：当前缓存在物理存储器中的已分配的页；
  • 未缓存的：没有还存在物理存储器中的已分配页

4.页表

• 作用：将虚拟页映射到物理页。每次地址翻译硬件将一个虚拟地址转换为物理地址时都会读取页表。操作系统负责维护页表中的内容。
• 结构：页表就是一个页表条目（PTE）数组；虚拟地址空间中的每个页在页表中一个固定偏移量处都有一个PTE。为了我们的目的，我们假设每个PTE是由一个有效位和一个n位的地址字段组成的。有效位表明了该物理页的起始位置，这个物理页中缓存了该虚拟页。

5.缺页

• DRAM缓存不命中称为缺页。
• 概念：
  • 在存储器的习惯说法中，块被称为页；
  • 在磁盘和存储器之间传送页的活动叫做交换或者页面调度；
  • 页从磁盘换入DRAM和从DRAM换出磁盘；一直等待到不命中发生的时候才换入页面；这种策略被称为按需页面调度
• 处理过程：
  • 缺页异常调用内核中的缺页异常处理程序，该程序会选择一个牺牲页，将其换出内存；
  • 内核从磁盘中拷贝需要的条目到牺牲页之前所在的位置，随后返回；
  • 当异常处理程序返回之后，它会再次启动导致缺页的指令，该指令会把导致缺页的虚拟地址重发送到地址翻译硬件；
  • 此时，页面命中

6.地址翻译

• 形式上说，地址翻译是一个N元素的虚拟地址空间（VAS）中的一个元素和一个M元素的物理地址空间(PAS）之间的映射；
• 过程：
  • CPU中的一个控制寄存器，页表基址寄存器指向当前页表；
  • n位的虚拟地址包括以下两个部分：一个p位的虚拟页面偏移和一个（n-p）位的虚拟页号；
  • MMU用后者选择适当的PTE，再将物理页号和虚拟地址中的VPO串联起来得到物理地址；
  • 因为物理和虚拟页面都是P字节的，所以物理页面偏移和VPO是相同的

7.linux虚拟存储器系统

• linux为每个进程维持了一个单独的虚拟地址空间，其中，内核虚拟存储器位于用户栈之上；
• 内核虚拟存储器包含内核中的代码和数据结构，还有一些被映射到一组连续的物理页面（主要是便捷地访问特定位置，比如执行I/O操作的时候需要的位置）
• linux将虚拟存储器组织成一些区域（也叫做段）的集合。一个区域就是已经存在的（已分配的）虚拟存储器的连续片；
  • 意义：允许虚拟地址空间有间隙；内核不用记录那些不存在的页，这样的页也不用占用存储器；
  • 区域结构
    • vm_start:指向这个区域的起始处；
    • vm_end:指向这个区域的结束处；
    • vm_prot:描述这个区域内所包含的所有页的读写许可权限；
    • vm_fags:描述这个区域内的页面是与其他进程共享的，还是这个进程私有的，等等；
    • vm_next:指向链表的下一个结构

8.共享对象&私有对象比较研究

• 引入：一个对象可以被映射到虚拟存储器的一个区域，要么作为共享对象，要么作为私有对象。

  • 如果一个进程将一个共享对象映射到它的虚拟地址空间的一个区域内，那么进程对这个区域的任何写操作，对其他也把这个共享对象映射到自己的虚拟地址空间的进程来说也是可见的【无论对象被映射到多少个共享区域中，在物理存储器中也只需要该对象的一个拷贝】；
  • 对于一个映射到私有对象的区域所做的改变，对于其他进程来说是不可见的，并且进程对这个区域所做的任何写操作都不会反映在磁盘上的对象中

• 深入：

  • 私有对象通过写时拷贝的巧妙技术被映射到虚拟存储器中，对于每个映射私有对象的进程，相应私有区域的页表条目都被标记为只读，并且区域结构被标记为私有对象的写时拷贝；
  • 只要没有进程试图写它自己的私有区域，它们就可以继续共享；
  • 只要有一个进程试图去写私有区域内的某个页面，那么这个写操作就会触发一个保护故障，当故障处理程序注意到保护异常是由于进程试图写私有的写时拷贝区域中的一个页面而引起的时候，它就会在物理存储区域中创建这个页面的一个新的拷贝，更新页表条目指向这个新的拷贝，然后恢复其可写权限

9.垃圾收集

• 概念：垃圾收集器是一种动态存储分配器，它自动释放程序不再需要的已分配块。这些块称为垃圾。自动回收的过程就叫做垃圾收集。垃圾收集器定期地识别垃圾块，并相应地调用free，将这些块放回到空闲链表中
• 过程：
  • 垃圾收集器将整个存储器视为一张有向可达的图，图的节点被分为一组根节点和一组堆节点；每个节点对应于堆中的一个已分配的块。
  • 当存在任意一条从根节点除法并到达p的有向路径的时候，我们说p是可达的；在任何时刻，不可达节点对应于垃圾，是不可再被回收利用的。
  • 垃圾回收器的角色是维护可达图的某种表示，并通过释放不可达节点将它们返回给空闲链表，来定期回收它们。
  • 无论何时需哟堆空间，应用会用通常的方式调用malloc函数；如果malloc找不到一个合适的空闲块，那么就会调用垃圾收集器，希望能够回收一些垃圾到空闲链表

二、课后练习题

1.练习题9.3

给定一个32位的虚拟地址空间和一个24位的物理地址，对于下面的页面大小P，确定VPN,VPO,PPN,PPO的位数

【补充:VPN——虚拟页号；VPO——虚拟页面偏移量；PPN——物理页号；PPO——物理页面偏移量】

【理解：我们有32个虚拟地址位和24个物理地址位；页面大小是1KB，这意味着对于VPO和PPO，都需要10位（去区分每个页面内这2^10个具体的单位）；那么剩下的位分别是VPN，PPN】

P = 1KB——>VPN = 22,VPO = 10,PPN = 14,PPO = 10

P = 4KB——>VPN = 20,VPO = 12,PPN = 12,PPO = 12

2.练习题9.5

编写一个C语言程序mmapcopy.c，使用mmap将任意一个大小的磁盘文件拷贝到stdout，输入文件的名字必需作为一个命令行参数来传递

【答案：】

#include "csapp.h"
void mmapcopy(int fd,int size)
{
    char *bufp;
    bufp = Mmap(NULL,size,PROT_READ,MAP_PRIVATE,fd,0);
    Write(1,bufp,size);
    return;
}
int main(int argc,char **argv)
{
    struct stat stat;
    int fd;
    if(argc !=2)//因为传进来的参数应该有两个，一个是文件名（题目要求用命令行传递）；第二个是
    {
        printf("usage:%s ,<filename>\n",argv[0]);
        exit(0);
    }
    fd = Open(argv[0],O_RDONLY,0);
    fstat(fd,&stat);
    mmapcopy(fd,stat.st_size);
    exit(0);
}

三、总结

这一章揭示了之前学习内容的很多“秘密”，所以读起来不时会翻到之前的内容的地方比较。