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操作系统内存换入 - 请求调页讲解

这一讲主要内容是内存的换入，下一讲要讲内存的换出（swap out），这两讲合在一起就是内存的换入换出。讲完内存的换入换出，操作系统关于内存管理这部分内容，也就是我们课程里内存管理部分就结束了。

内存换入换出的重要性及与虚拟内存的关系

讲到这儿，我们得明白为什么要讲内存的换入换出，其实这是从虚拟内存概念引申出来的，为了实现虚拟内存就需要换入换出。我们回顾一下，之前为了实现分段和分页，引入了虚拟内存的概念。我们在虚拟内存中划分出一部分作为分段，再将虚拟内存分成一页一页映射到物理内存上，所以虚拟内存是连接分段和分页的核心，是实现分段和分页的关键所在。而分段和分页是操作系统管理内存最重要的两个机制，没有内存的换入换出，虚拟内存就无法实现。

我们来梳理一下整个内存管理的知识脉络。一开始我们讲分段，是为了方便用户使用内存；后来发现光有分段会导致内存效率低、空间利用率低，所以引出了分页；接着我们说要同时实现分段和分页，而其核心就是虚拟内存，要实现虚拟内存就必须有换入和换出机制。所以整个操作系统关于内存管理的核心，就是基于虚拟内存的分段加上分页，并用换入换出来实现虚拟内存。

虚拟内存的概念与原理

虚拟内存对于应用程序和用户来说，是一个0 - 4g（32位机）的地址空间，在用户眼里，看不到物理内存，只看到这规整的0 - 4g内存空间，就像拥有4g内存一样可以随意使用，比如设置指针p等于3g就在相应位置使用，这大大方便了用户编写和使用程序。

但实际上这4g内存是虚拟的、假的，要完成真正的工作，需要将虚拟内存映射到实际物理内存上，只有这样程序发出的指令和数据才能真正在内存上读写。而这个映射过程对用户是透明的，用户不知道操作系统是如何映射的。操作系统通过映射给用户提供4g内存的假象，而内存换入和换出的核心就是在映射上做文章。

为什么要在映射上做文章呢？因为用户眼中有4g大且规整的内存，但实际物理内存可能没那么大，可能是1g、2g等，无论物理内存多大，操作系统都要给用户提供0 - 4g虚拟内存的感觉，隐藏硬件细节，方便用户使用。那么如何用较小的物理内存给用户提供4g内存的感觉呢？核心就是换入换出。

例如，当用户使用0 - 1g内存空间时，操作系统就把这部分从磁盘映射到物理内存上；当使用3 - 4g空间时，再把相应部分映射上去，也就是真正使用时才进行映射，这就引出了内存换入的概念。

内存换入（请求调页）的具体过程

换入的基本概念

假设用户程序的代码段和数据段在磁盘上，当程序要执行0 - 1g这一段代码时，操作系统就把这段代码从磁盘换入到物理内存，并建立映射，这样用户就能正常使用这部分内存了。当程序跳到3g开始的数据段，而这部分数据还没映射到内存时，操作系统就再从磁盘把数据读进来，建立映射，让用户感觉整个0 - 4g内存都可以正常使用，而这些换入和映射过程对用户完全透明，用户只是感觉执行指令有时会稍微慢一点。

我们用日常生活中的例子来理解，0 - 4g虚拟内存就像仓库，里面有各种货物；物理内存就像门店，空间有限。当顾客要A类物品，店员从仓库拿出来放到门店；当另一个顾客要C类物品，店员又从仓库取，由于门店空间有限，可能要把A类物品放回仓库，这样顾客想要的物品在门店都能看到，只是有时需要等待。在计算机中，就是通过换入换出来实现让用户感觉0 - 4g虚拟内存都能随意使用，只把用户需要使用的部分换入。

请求调页的实现原理

在计算机系统中，具体实现内存换入是通过请求调页。一个程序用逻辑地址在0 - 4g虚拟地址空间随意访问，算出虚拟地址后，当这个虚拟地址要映射物理页时，会通过页表查询。如果页表中没有该页的映射，也就是缺页，此时就需要操作系统进行处理。

当缺页发生时，硬件会协助处理。硬件设备MMU查页表发现缺页后，会产生一个中断信号，在CPU的寄存器上把相应位置为1。每执行完一条指令，CPU都会检查是否有中断产生，当检测到缺页中断后，就会执行中断处理程序。

中断处理程序要做的事情就是实现内存换入：首先要从磁盘找到缺的那一页，这需要数据结构与算法的支持；然后在内存中找一个空闲页（get free page）；接着把磁盘上的页读入到空闲页中；最后建立虚拟页和物理页的映射关系，也就是填写页表。中断处理完成后，程序回到发生中断的指令处继续执行（硬件可做改动，让MMU发现缺页中断时，PC指针不动，不自动加一，保证执行原指令）。从用户角度看，就像什么都没发生，只是感觉指令执行稍慢了些。

请求调页的实际代码实现

在实际系统中，整个过程从缺页中断开始，因为MMU产生中断我们无法捕捉，但中断处理是我们可以控制的。缺页中断是14号中断，在系统初始化时，就要设置好14号中断由谁来处理，也就是在系统启动时进行相关设置，主要是初始化修改中断向量表（AIDT表）。

当发生缺页中断进入中断处理程序（page fault）时，首先要保存现场，因为要进入内核，相关寄存器如DS、ES等要修改为内核栈对应的值。重点是把页错误的线性地址（虚拟地址，在课程中虚拟地址常被称为线性地址）从寄存器CR2赋给EDX，然后将EDX入栈，这是为了给后续调用的C函数传递参数，让其知道哪里缺页。

接下来调用do_no_page函数，它要完成从磁盘读入缺页并建立映射的工作。具体过程是，先根据传入的虚拟地址得到虚拟页号（去掉虚拟地址的后12位，即业内偏移），然后调用get free page函数申请一个空闲的物理内存页；接着从磁盘读入缺页（b_read函数，因为磁盘是块设备，按块读写，所以从磁盘读入一页到申请的空闲内存中）；最后调用put_page函数建立虚拟页和物理页的映射，也就是修改页表，根据虚拟地址找到页目录项，再找到页表项，把读入内存的物理页信息写入页表项，完成映射。

通过在中断处理程序中完成申请空闲页、从磁盘读页、建立映射这三件事，就能实现内存换入（请求调页），让用户感觉0 - 4g虚拟内存都能正常使用。至此，内存换入（请求调页）的内容就全部讲完了。