虛擬記憶體：詳細情形

4.4. 虛擬記憶體：詳細情形

首先我們要先介紹一個新概念：虛擬定址空間（virtual address space）。虛擬定址空間指的是應用程式會用到的最大定址空間。虛擬定址空間與系統架構有關，因為虛擬定址空間能用到幾個位元，是由架構所定義的。虛擬定址空間也與作業系統有關，因為它可能會在系統架構之上，加入額外的限制。

虛擬定址空間中的「虛擬」指的是可能會分給這應用程式的總空間，但「不是」安裝在系統中的實體記憶體，或應用程式任何時候可能用到的空間。

以我們剛剛的例子來說，虛擬定址空間為 15,000 位元組。

要製作虛擬記憶體，電腦系統需要有特別的記憶體管理硬體。這硬體通常被稱為記憶體管理單元（MMU，Memory Management Unit）。沒有 MMU 的話，當 CPU 存取記憶體時，實際的記憶體位址永遠不變 — 記憶體位址 123 永遠會在 RAM 的相同位置。

4.4. 虛擬記憶體：詳細情形

虛擬定址空間中的「虛擬」指的是可能會分給這應用程式的總空間，但「不是」安裝在系統中的實體記憶體，或應用程式任何時候可能用到的空間。

以我們剛剛的例子來說，虛擬定址空間為 15,000 位元組。

不過有了 MMU 之後，記憶體位址每次存取前，都會先轉譯過。這表示記憶體位址 123 可能一下會被轉到實際位址 82034，之後又被轉到 20468 去。這樣一來，為了追蹤虛擬到實體位置的轉譯過程，就必須監控成千上萬個記憶體位元組，造成極大的效能負荷。所以，MMU 會將記憶體切割成許多分頁（pages） — 連續的記憶體區段，每段的大小相同，並由 MMU 視為一個個獨立的個體。

紀錄這些分頁及分頁的位址轉譯過程聽起來像是多此一舉。但是，虛擬記憶體卻是非用不可的東西。基於這些原因，請想想以下一點。

還是以剛剛擁有 15,000 位元組虛擬定址空間的應用程式來看，假設應用程式的第一道指令就是存取位於位址 12374 的資料；但電腦所擁有的記憶體位址最多只到 12288，那會發生什麼事呢？

這種情況就叫做分頁錯誤（page fault）。

4.4.1. 分頁錯誤

分頁錯誤指的是當程式試圖存取定址空間中的資料（或程式碼）時，這資料（或程式碼）卻不在系統記憶體裡的一連串情形。作業系統必須把資料放到該在的地方，以處理分頁錯誤的問題；同時也讓程式覺得好像分頁錯誤從來沒有發生過一樣。

以我們剛剛的例子來說，CPU 會把想找的資料位址（12374）傳給 MMU；然而 MMU 卻還未轉譯這個位址，只好向處理器發出中斷訊號，以執行稱為分頁錯誤處理程式（page fault handler）的軟體。這軟體會決定如何處理這分頁錯誤的問題。它會：

找出欲存取的分頁在硬碟的哪個地方，將之讀入（在這情況下，讀入的通常會是程式碼）
確定這分頁已經在主記憶體中（但尚未分配給目前的程序），並設定 MMU 指向這分頁
指向一個完全空白（數值為零）的特殊分頁，如果程序試著寫入該分頁，那就分配一個新的分頁給這程序（這稱為「寫入即複製（copy on write）」分頁，通常給初始值全部為零的分頁使用）
從其他地方取得需要的分頁（我們將在稍待一會兒，為您詳細探討）

前面三項都非常的乾脆直接；但最後一項則否。也因此，我們必須為您多做說明。

4.4.2. 工作集

目前指定給某個特定程序的多個實體記憶體分頁，稱之為該程序的「工作集（working set）」。工作集中的分頁數目會因為系統整體的可用分頁多寡，而隨之消長。

當程序發生分頁錯誤時，工作集就會變大；當可用的分頁愈來愈少，工作集就會變小。為了避免記憶體不足，必須從工作集中移除分頁，並標示為可用的分頁，留待稍後使用。作業系統會用以下方法降低工作集的分頁大小：

把一些修改過的分頁寫到硬碟的某個特定區域（通常叫做置換（swapping）或分頁（paging）空間）去
釋出未修改過的分頁（因為資料沒有變動，所以不需要寫入這些分頁）

要為所有的程序決定適當的工作集大小，作業系統必須紀錄所有分頁的使用情形。這樣一來，作業系統就可以知道哪些分頁使用頻繁（所以必須保留在記憶體中），哪些分頁則否（所以可以從記憶體中移除）。在大部分情形下，演算法則會找出最不常用到的分頁，並將這分頁從工作集中移除。

4.4.3. 置換

雖然置換（將修改過的分頁寫到系統置換空間去）是系統運作很正常的一環，但有時置換動作會太過頻繁。我們擔心是因為過度的置換很容易導致以下情況不斷發生：

某個程序的分頁被置換到磁碟上
該程序獲得執行權，並試圖存取剛剛被置換出去的分頁
這分頁被讀回記憶體中（這通常會導致另一個程序的分頁被置換出去）
過了一會兒，這分頁又被置換出去

如果這一連串動作不斷發生，那就稱為 thrashing（猛移；崩潰），表示記憶體的數量不足以支撐目前的工作量。Thrashing 對系統效能有極為負面的影響，因為 CPU 與 I/O 負載會重到影響系統平時的工作。最糟的情形是系統什麼事也不做，只把所有資源都花費在置換分頁

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