操作系统笔记(7)-快速地址转换

简介

使用分页作为核心来实现虚拟内存，可能会带来较高的性能开销：额外的 内存引用
为了改善这个问题，我们需要硬件的帮助，它的名字叫 地址转换旁路缓冲存储器（translation-lookaside buffer），简称 TLB，也可以叫它 地址转换缓存
TLB 在处理器核心附近，设计的访问速度很快

`TLB` 的工作原理

对每次内存访问，硬件先检查 TLB ，看看其中是否有期望的转换映射，如果有，就完成转换（很快），不用访问页表。因此 TLB 带来了巨大的性能提升
算法流程如下：
1. 从虚拟地址中 提取页号（VPN）
2. 检查 TLB 中是否有该 VPN 对应的物理帧号 PFN
3. 如果有，TLB 命中，转换成功
4. 如果没有，TLB 未命中，硬件就访问 页表 来寻找地址映射
5. 用找到的映射来更新 TLB

谁来处理 `TLB` 未命中

早期的硬件有复杂指令集，可以全权处理 TLB 未命中，然后去遍历 页表 找到对应的地址映射（如 x86 架构）
更现代的体系结构都是精简指令集计算机，通过软件管理 TLB，发生 TLB 未命中时，硬件系统会抛出一个异常，这会暂停当前的指令流，将特权级提升至内核模式，跳转至 陷阱处理程序，然后这个程序用于处理 TLB 未命中

`TLB` 的内容

如果想要快速地缓存，TLB 的大小就不会很大，典型的 TLB 有 32 项、64 项或者 128 项，如果每一项的大小是 4 B，那 TLB 的总大小还是很小的
TLB 项的内容应该包含虚拟页号 VPN 、物理帧号 PFN 以及一些其它的标志位，一般 TLB 会有一个 有效位 用于标志该项是不是有效的地址转换，还有 保护位 表示该页是否有访问权限，还有一些标志位如 脏位 等

上下文切换时对 `TLB` 的处理

TLB 中包含的虚拟到物理地址的映射只对当前进程有效，对其它进程是没有意义的，所以在不同的进程切换时需要对 TLB 进行处理，避免 误读 现象
假如两个进程的虚拟地址相同，那么就容易产生 误读，因此 TLB 引入了一个 地址空间标识符（ASID） 用于标识不同的进程，与 PID 相似，但是通常比 PID 位数少
通过使用 ASID ，不同的进程就可以共享 TLB 了

注意 : 我们讨论的 TLB 是指的单核机器，在多核机器中，每个 CPU 都有一个 TLB，类比即可

`TLB` 替换策略

前面说到，TLB 是很小的，那么当 TLB 满了之后，下一次更新之前就需要替换掉已有的一项才行
一般有两种方式采用，一个是替换 最近最少使用（LRU） 的项，另一个是 随机策略，相比来说 随机策略 比较好

练习：测量 `TLB` 未作用时每页的平均访问时间

如何测量：使用 gettimeofday() 进行时间差计算
定义一个很大的数组（跨越多个页存储），然后每次访问不同的页（保证 TLB 命中率为0），计算平均访问时间
查看页表大小，在 shell 使用 getconf PAGE_SIZE 查看，我的是 4KB

测试代码

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/time.h>
#include <stdlib.h>

// 结果查看, 页表的大小为 4KB
#define PAGESIZE 4096

int a[1024 * 1024 * 256];

int main(int argc, char* argv[]) {
    if (argc < 3) {
        printf("请给出页的数目和尝试的次数\n");
        return 0;
    }

    int pagesNum = atoi(argv[1]);

    if (pagesNum > 1024 * 256) {
        printf("页的数目不能超过%d", 1024 * 256);
        return 0;
    }

    int cnt = atoi(argv[2]);

    int jump = PAGESIZE / sizeof(int);  // 跳到下一页需要的步数
    

    struct timeval start, end;

    gettimeofday(&start, NULL);

    for (int i = 0; i < cnt; i++) {
        for (int j = 0; j < pagesNum * jump; j += jump) {
            a[j] += 1;
        }
    }

    gettimeofday(&end, NULL);

    long int diff = 1000000L * (end.tv_sec - start.tv_sec) + (end.tv_usec - start.tv_usec);

    printf("total time is : %ldus\n", diff);
    printf("avg time : %lfus\n", (float)diff / (pagesNum * cnt));

    return 0;
}