我對虛擬記憶體的理解

什麼是虛擬記憶體？

先直接摘抄一段 wikipedia 上的介紹。

虛擬記憶體是計算機系統記憶體管理的一種技術。它使得應用程式認為它擁有連續的可用的記憶體（一個連續完整的地址空間），而實際上，它通常是被分隔成多個實體記憶體碎片，還有部分暫時儲存在外部磁碟記憶體上，在需要時進行資料交換。

對於 C 語言裡面的變數，我們可以使用 & 運算子來獲得其地址， 既然是虛擬地址，就是指這個地址是虛擬的。

虛擬地址機制不是必須的，在簡單的微控制器中，編寫的程式碼編譯時都需要指定物理 RAM 空間分布，不會有虛擬地址的概念，地址就是指在 RAM 中的實體地址。

為什麼需要虛擬記憶體？

下面都是我的理解，可能有不恰當的地方。

假設在裸機上執行一個程式，這時就沒辦法再同時執行其他程式了，需要引入作業系統來進行管理。有了作業系統之後，我們或許能執行多個不同程式，但很可能無法同時執行同一個程式的多個範例，因為同一個程式使用的實體地址是一樣的(假設是舊的編譯器)，一起執行會有衝突。想執行同一個程式的多個範例，看起來有 2 種方案。

1. 重新編譯一個使用其他地址的程式，和前一個不衝突。
2. 執行該程式時使用新增地址偏移等方式保證使用地址不同。

第一個是讓編譯器來完成，理論上可以，但是會過於麻煩，如果我想同時執行3個，4個呢, 就必須多編譯幾次。
第二個呢，是讓作業系統來完成，應該算是虛擬記憶體的雛形了。使用該模式後，編譯器給出的程式內相關地址就不是實際實體地址了，算是虛擬地址。

X86 的虛擬記憶體技術

GDT/LDT

GDT 和 LDT 都是在 80286 的時候引入 x86 體系的，LDT 和 GDT 有著類似的結構。 LDT 的出現就是為了多進程使用獨立地址空間來服務的，通常每個進程一個 LDT, 而共用記憶體和核心記憶體則使用 GDT。 每個程式根據段描述符來確定基址，而且每個 Entry 裡面還有 limit 欄位，正好可以對程式存取空間作限制。但在 80386 引入了更優秀的分頁技術後，LDT 基本上就不再使用了。

分頁

分頁作為當前虛擬記憶體技術的實現，肯定有比 LDT 更好的地方，但它們的實現思路都是類似的。作業系統為每個進程維護一個 handle，這個handle關聯的是該進程從虛擬地址到實體地址轉換的相關資料塊。在 LDT 中 handle就是 LDT 指標與長度， 資料塊就是 LDT 自身。分頁模式下資料塊叫做 paging structure, handler 是指向其的指標。

paging structure 有 4096 bytes, 包含有獨立的 entries，不同模式下每個 entry 的大小不同。 每個 entry 包含一個實體地址，可以指向一個 page frame，也可以指向另一個 paging structur，也就是級聯的方式。 指向第一個 page structure 的指標在 CR3 暫存器裡， 之後從線性地址到實體地址的過程就是一個疊代的過程。線性地址的一部分用來指示對應的 entry， 該 entry 如果指向的是另一個 page structure 則繼續，直到指向了一個 page frame則表示地址轉換完成，使用最後這個 entry 作為基址，線性地址剩餘部分表示偏移。

現在專門討論 32bit 模式下的分頁。32bit下每個 entry 4bytes，每個 paging structure包含 1024 個 entries, 需要 10bit 來區分每個 entry。實際上 32bit 模式下使用了 2 級 pageing structure。 第一級稱為 Page Directory, 使用 32bit 線性地址的 bits 31-22 來區分， 第二級稱為 Page Table, 使用 32bit 線性地址的 bits 21-12 來區分，剩下的 bits 11-0正好是用來計算在 4K page 裡的偏移。

在所有的線性地址到實體地址翻譯中， CR3，PDPTE，PDT， PTE等儲存的都是下一步的基址， 線性地址中存的則是偏移。