虚拟地址转换[一] - 基本流程

在Linux，Windows等操作系统中，为什么不直接使用Physical Address（物理地址），而要用Virtual Address（虚拟地址）呢（在Intel的手册中也被称为Linear Address，具体原因请参考这篇文章）？

因为使用虚拟地址可以带来诸多好处：

1. 在支持多进程的系统中，如果各个进程的镜像文件都使用物理地址，则在加载到同一物理内存空间的时候，可能发生冲突。
2. 直接使用物理地址，不便于进行进程地址空间的隔离。
3. 物理内存是有限的，在物理内存整体吃紧的时候，可以让多个进程通过分时复用的方法共享一个物理页面（某个进程需要保存的内容可以暂时swap到外部的disk/flash），这有点类似于多线程分时复用共享CPU的方式。

既然使用虚拟地址，就涉及到将虚拟地址转换为物理地址的过程，这需要MMU（Memory Management Unit）和页表（page table）的共同参与。

🧩 MMU

MMU是处理器/核（processer）中的一个硬件单元，通常每个核有一个MMU。MMU由两部分组成：TLB(Translation Lookaside Buffer)和table walk unit。

🌲 Page Table

page table是每个进程独有的，是软件实现的，是存储在main memory（比如DDR）中的。

🍃 Address Translation

因为访问内存中的页表相对耗时，尤其是在现在普遍使用多级页表的情况下，需要多次的内存访问，为了加快访问速度，系统设计人员为page table设计了一个硬件缓存 - TLB。CPU首先会在TLB中查找，因为在TLB中找起来很快。

TLB之所以快：

• 一是因为它含有的entries的数目较少
• 二是TLB是集成进CPU的，它几乎可以按照CPU的速度运行。

如果在TLB中找到了含有该虚拟地址的entry（TLB hit），则可从该entry【1】中直接获取对应的物理地址，否则就得去查找当前进程的page table（这里其实可能用到paging structure caches）。这个时候，组成MMU的另一个部分table walk unit就被召唤出来了，这里面的table就是page table。

使用table walk unit硬件单元来查找page table的方式被称为hardware TLB miss handling，通常被CISC架构的处理器（比如IA-32）所采用。它要在page table中查找不到，出现page fault的时候才会交由软件（操作系统）处理。

与之相对的通常被RISC架构的处理器（比如Alpha）采用的software TLB miss handling，TLB miss后CPU就不再参与了，由操作系统通过软件的方式来查找page table。使用硬件的方式更快，而使用软件的方式灵活性更强。IA-64提供了一种混合模式，可以兼顾两者的优点。

如果在page table中找到了该虚拟地址对应的entry的p（present）位是1，说明该虚拟地址对应的物理页面当前驻留在内存中，也就是page table hit。找到了还没完，接下来还有两件事要做：

1. 既然是因为在TLB里找不到才找到这儿来的，自然要更新TLB。
2. 进行权限检测，包括可读/可写/可执行权限，user/supervisor模式权限等。如果没有正确的权限，将触发SIGSEGV（Segmentation Fault）。

如果该虚拟地址对应的entry的p位是0，就会触发page fault，可能有这几种情况：

1. 这个虚拟地址被分配后还从来没有被access过（比如malloc之后还没有操作分配到的空间，则不会真正分配物理内存）。触发page fault后分配物理内存，也就是demand paging，有了确定的demand了之后才分，然后将p位置1。
2. 对应的这个物理页面的内容被换出到外部的disk/flash了，这个时候page table entry里存的是换出页面在外部swap area里暂存的位置，可以将其换回物理内存，再次建立映射，然后将p位置1。

关于在TLB中具体是怎么找的，在page table中又是怎么”walk”的，请看下回分解。

注【1】：entry有入口的意思，对于TLB和单级页表的一个entry，就是指向对应page的首地址（入口）；对于后文介绍的多级页表的一个entry，就是指向下一级页表的首地址（入口）。

---

🧭 如何判断当前系统是否启用了swap？

✅ 方法一：看当前swap是否启用

$ swapon --show

或：

$ cat /proc/swaps

如果没有输出，说明swap没启用。否则你会看到：

$ swapon --show
NAME      TYPE   SIZE USED PRIO
/swapfile file 923.2M   0B   -2

📌 如何设置或启用swap？

🧱 创建swap文件（常见做法）：

$ sudo fallocate -l 2G /swapfile
$ sudo chmod 600 /swapfile
$ sudo mkswap /swapfile
$ sudo swapon /swapfile

验证：

$ swapon --show

让它重启后生效：

$ echo '/swapfile none swap sw 0 0' | sudo tee -a /etc/fstab

📌 关键概念解析

✅ kswapd是什么？

• 是Linux内核的内存回收守护线程之一，内核中表现为kswapd0、kswapd1等。
• 它在系统空闲或内存水位低时启动，用于回收页缓存和匿名页。
• 主要作用：平衡zone的free pages数量，维持水位。

✅ 哪些页会被写入swap？

只有满足以下条件的页才会被写入swap：

• 是匿名页（anonymous page），即没有文件映射的内存页，比如heap、stack、malloc出来的内存。
• 当前页不是active或者最近没被访问过（LRU判定）
• 被回收后不能直接释放的，就会被写入swapfile（称为swap-out）

🧠 swapfile在kswapd中的角色

当 kswapd 工作流程中发现：

1. 当前zone（如DMA/Normal/HighMem）低于low watermark
2. kswapd开始扫描页表、回收页
3. 回收的页中发现匿名页，无法直接释放
4. 则这些匿名页会被写入swap（也就是/swapfile）

🔁 后续如果这些页被再次访问，会触发page fault，然后从/swapfile中读回内存（称为swap-in）。

🧪 实验看看swapfile是否真的生效：

步骤：

$ sudo apt update
$ sudo apt install stress
# 启动一个吃内存的程序（建议先关闭无关程序）
$ stress --vm 1 --vm-bytes 2G --timeout 30s

然后你可以观察swap是否被用到了：

$ watch -n 1 free -h

你会看到Swap: 那一行的USED开始增长，说明/swapfile正在被写入。

🔍 内核源码角度（简要）

在内核源码中（如mm/vmscan.c），kswapd最终会调用到：

shrink_node()
  └── shrink_lruvec()
        └── shrink_list()
              └── shrink_anon()    // 针对匿名页
                    └── try_to_swap_out()

而 try_to_swap_out()会把匿名页放入swap：

swap_entry_t entry = get_swap_page()
set_pte_at(...)  // 把 PTE 设置为 swap entry

最终数据写入/swapfile或/dev/sdX swap设备。

---

/etc/fstab — File System Table

• 作用：静态配置文件，列出系统启动时自动挂载的文件系统和挂载参数。
• 位置：通常是只读的文本文件，系统管理员手动编辑。
• 内容：定义了设备、挂载点、文件系统类型、挂载选项等。
• 作用时间点：系统启动时由挂载程序读取，决定挂载哪些分区。

/etc/mtab — Mounted File Systems Table

• 作用：记录当前系统中实际挂载的所有文件系统信息，反映实时挂载状态。
• 内容：包含设备名、挂载点、文件系统类型、挂载选项等当前使用信息。
• 更新方式：
  • 过去是普通文件，由挂载和卸载命令动态更新。
  • 现代Linux发行版多用/proc/mounts（内核虚拟文件系统）替代/etc/mtab，通过软链接实现。
• 用途：
  • 命令如mount（不带参数时）查看当前挂载状态
  • umount和其他工具使用它判断当前挂载状态

---

转载：虚拟地址转换[一] - 基本流程