Виртуальная память

Зачем?

• Изолировать процессы в памяти
• Упростить жизнь программисту
• "Иметь в наличии" больше оперативной памяти, чем есть на самом деле

Изолируем процессы в памяти

• Каждый процесс думает, что он один в памяти
• Каждый процесс считает, что вся память его личная
• Каждый процесс имеет доступ лишь к своей памяти (но если хочется, то можно шарить)

Упрощяем жизнь программисту

• Память выглядит как один большой непрерывный кусок

Как?

• Реализуется в MMU

32 битные виртуальные адреса на 32-битных системах, 64 битные на 64-битных системах (логично)

Проблемы?

• Типичный размер страницы - 4КБ
• Offset - 12 бит, 20 бит на выбор директории
• Если каждый Directory Entry по 4 байта, то вся таблица весит 4МБ
• У каждого процесса своя таблица страниц
• ???
• Page table'ы займут всю память

Многоуровневые таблицы страниц

• Сейчас обычно 4 уровня
• Адрес Level 4 Directory хранится в специальном регистре (CR3)

• Если какой-либо directory entry пустой, то можно не хранить директории более низкого уровня
• Получаем разреженное дерево

Оптимизируем доступ к таблице страниц

• Можно хранить в L1 кэше
• В худшем случае нужно 4 раза обратиться к кэшу, а это долго
• TLB (Transaction Look-aside Buffer)
• Еще один маленький кэш
• Храним по тегу адрес физической страницы
• Если не попали в TLB то спускаемся по дереву за долго
• Ничего не напоминает?

Проблемы?

• TLB один для всего процессора (общий для всех ядер)
• У каждого процесса свой page table (но не у потоков внутри процесса), даже у ядра
• ???
• Очищать TLB при смене процесса
• Расширить тэг чтобы однозначно определять page table к которому они относятся

Перерыв на байку

Meltdown и Spectre

Page Address Extension (PAE)

• Расширяем размер адресуемой памяти до 64ГБ на 32-битной машине
• Page entry расширен до 64 бит (зато их стало в 2 раза меньше)
• Добавлен еще один уровень

Жизнеутверждающие картинки

"Увеличиваем" размер оперативной памяти

• Page entry может ссылаться не только на данные в оперативной памяти, но и в данные на диске

• Оперативная (физическая) память является кэшом для виртуальной

Жизнеутверждающая картинка

Тулинг для хаскеля:

Recap про память