How memory system works ？

本文用来梳理一些基础的 内存 相关的知识点，以自顶向下的方式（可能是？）来讲解一遍内存的工作方式。会涉及到 Virtual Memory，Main Memory → Cache address mapping。

以一个小程序开头：

int add(int a, int b){
	return a + b;
}

int main(){
	int a = 1, b = 1;
	int c = add(a,b);
	return 0;
}

我们看一下这段代码的汇编代码，在这里我们使用 -Og 指令来避免编译器的优化。

0000000000401550 <add>:
  401550:	8d 04 11             	lea    (%rcx,%rdx,1),%eax
  401553:	c3                   	retq   

0000000000401554 <main>:
  401554:	48 83 ec 28          	sub    $0x28,%rsp
  401558:	e8 c3 00 00 00       	callq  401620 <__main>
  40155d:	b8 00 00 00 00       	mov    $0x0,%eax
  401562:	48 83 c4 28          	add    $0x28,%rsp
  401566:	c3                   	retq   
  401567:	90                   	nop
  401568:	90                   	nop
  401569:	90                   	nop
  40156a:	90                   	nop
  40156b:	90                   	nop
  40156c:	90                   	nop
  40156d:	90                   	nop
  40156e:	90                   	nop
  40156f:	90                   	nop

可以看到，不管你使用什么操作来进行编译，这里的汇编代码对应的地址都是固定的。显然，汇编器输出了一个 逻辑地址 ，这个逻辑地址独立于 virtual address 和 physical address.

那么这些逻辑地址在程序运行阶段是怎么被 Loader 和 Linker 变换到正确的地址位置上的呢？我或许会再开一个深坑来讲讲，雾。我在这里使用这个例子，只是为了先给出地址的一个概念。并且让读者分清楚 汇编出来的 address 和 virtual address 和 physical address 是不同的。

Virtual Memory

上文中展示的汇编代码的逻辑地址会首先被翻译成 virtual address ，然后 virtual address 会被翻译成 physical address，然后在运行的过程中 physical address 会被 mapping 到对应的缓存结构中，也就是 Main Memory address → Cache 的过程，当然不一定是 Cache， 也可以是其他的缓存结构。

我们首先来看下定义：虚拟内存被组织为存放在磁盘上的N个连续字节大小的单元数组，每个字节都有一个唯一的虚拟地址，而该数组的内容被缓存在主存中。

Why we need virtual memory

使用一个统一的 Virtual memory address 可以使系统对硬件异常、硬件地址翻译、主存、磁盘文件和内核软件的掌控更加的快捷和便利。使用虚拟内存可以为每一个进程提供一个非常大的、一致的地址空间。

上文说到，虚拟内存是有利于内核进程来管理自己的独立页表的，虚拟内催使每个进程都有自己的独立虚拟地址空间。如下面的这张图所示：

通过这种形式，我们可以提供一个视图：每个进程都有一个非常相似的虚拟地址空间，有着相同的大小的地址空间，而进程使用的物理页实际上可能使分散在 DRAM 中的。这样的组织形式，其实很大的程度上简化了 Linker 生成可执行文件时确定内存地址时候的麻烦。因为这种形式无须考虑当前的物理地址的内存状态，Linker 只需要假设一个虚拟的内存模型（如下图），链接好所有的地址后，由相关的系统命令和硬件把这些地址翻译成 physical address 就行了。

同时，虚拟内存还可以作为内存保护的工具，我们可以给每个虚拟的 page 加上几个 flags，比如 readable，writeable，user-state， kernel-state 来区分每个 process 对相应的实际内存中数据的处理权限。如下面这张图所示：

What is virtuall memory

在 Why use virtual memory 中实际已经提到过了：使用一个统一的 Virtual memory address 可以使系统对硬件异常、硬件地址翻译、主存、磁盘文件和内核软件的掌控更加的快捷和便利。使用虚拟内存可以为每一个进程提供一个非常大的、一致的地址空间。

那么接下来就是看看 physical address（on disk）是怎么与 main memory 联系起来的，physical address 与 virtual address 是怎么转换的。

借用 CSAPP 的内容：

那么这个过程主要是通过 MMU(memory manage unit) 和 保存在 main memory 中的 PTE 来实现

MMU 具有下述结构：

主要的地址寻找流程如下：

使用 TLB 来加速地址翻译：

How to ue it

Main Memory address → Cache address

Conclution

Reference

[1] Computer system: A programmer’s perspective. 3ed

[2] Computer organization. Tang