当有虚拟内存时,我们仍然需要页缓存的原因是:
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为什么难优化?为什么优化不了?因为滑动窗口。 在讨论网络传输性能时,经常会遇到关于拥塞窗口(Congestion Window, cwnd)限制的疑问。...通过这种方式,我们可以更好地理解cwnd在TCP流量控制中的作用,以及它如何影响网络传输的性能。 ● 为什么因为滑动窗口?因为滑动窗口本质上是一个“停-等”策略。 ● “停-等”怎么了?...例如它有可能在缓存式输入的交换机中出现,有可能因为传输顺序错乱而出现,亦有可能在HTTP流水线中有多个请求的情况下出现。 ● 等什么?等buffer被填满。 ● 什么buffer?就是接收窗口。...NAT 网关在转换网络地址时重写传输层的头部,有可能导致双方无法使用新的传输格式。整流器和中间代理有时候出于安全的需要,会删除一些它们不认识的选项字段。...最重要的是,我们可以在内存不足或者上游处理性能出现问题时,通过流量控制来限制传输速率,保障服务可用性。 没有队头阻塞的多路复用 QUIC 的多路复用和 HTTP2 类似。
当接受到一个段内存申请请求时,我们可以采用: 首次适配,最佳适配,最差适配,首次循环适配等算法来进行内存的分配。...---- 段页结合: 为什么需要虚拟内存?...有了虚拟内存的之后,用户写的程序首先在虚拟内存中划分出对应的空间来存放,但是实际程序载入内存时,却会根据先前划分的虚拟地址空间,分别打散存储到对应多个物理页上。...具体选择淘汰哪一个页的规则叫做页面置换算法,常见的有: 先进先出(FIFO) 最近最久未使用(LRU) Clock算法,LRU的近似实现 操作系统内存换出—15 包括还需要限制每个进程所能分配到的页面数...tlb作为CPU内部的相联存储寄存器,用来缓存最近访问过的虚拟页号和物理页号的映射关系,利用的是程序执行的局部性原理,可以有很高的命中率。 什么是虚拟内存,为什么需要虚拟内存,虚拟内存有什么好处?
为了讲清楚MMU是如何一步一步完成地址翻译,取出数据的,本篇文章在前4节中讲解了虚拟内存中一些重要的概念,比如,虚拟内存的作用,页命中,缺页异常处理,为什么需要TLB等等。...因为虚拟页面现在缓存在物理内存中,所以就会命中,主存就会将所请求字返回给处理器。 4. 为什么有了高速缓存,还需要TLB呢?...TLB 假设TLB 有 16 个条目,并且是 4 路组相连的。TLB 缓存的是页表条目,页表条目是虚拟页号的唯一标识。所以,我们只需要用虚拟页号去访问 TLB。...我们只根据索引来查找组,每一个条目都有一个标记位。一个 TLB 条目如果有效,它就含有一个物理地址。 5.1.3 页表 ? 页表的前 16 个条目 现在,我们还需要页表。...虚拟地址0x0020 和之前的例子一样,我们可以得到VPN为0x00,VPO为0x01,TLBI为0,TLBT为0x00。 ? TLB 第一步是检查 TLB 看是否有页表条目的缓存。
CPU; (四)最后来看看为什么需要虚拟内存?...讲完了什么是虚拟内存,我们最后讲讲虚拟内存的必要性。...由于操作虚拟内存实际上就是操作页表,从上面讲解我们知道,页表的大小其实和物理内存没有关系,当物理内存不够用时可以通过页缺失来将需要的数据置换到内存中,内存中只需要存放众多程序中活跃的那部分,不需要将整个程序加载到内存里面...并且独立的虚拟内存空间也会简化内存的分配过程,当用户程序向操作系统申请堆内存时,操作系统可以分配几个连续的虚拟页,但是这些虚拟页可以对应到物理内存中不连续的页中。 再来就是提供了内存保护机制。...当被查找的数据发生缺失时,需要等待数据从主存加载到缓存中,如果缓存满了,那么还需要进行淘汰。
真正的文件读取是当进程发起读或写操作时。 9、进程的读或写操作访问虚拟地址空间这一段映射地址,通过查询页表,发现这一段地址并不在物理页面上。...3、inode在address_space上查找要请求的文件页是否已经缓存在页缓存中。如果存在,则直接返回这片文件页的内容。...常规文件使用了页缓存机制,造成读文件时需要先将文件页从磁盘拷贝到页缓存中,由于页缓存处在内核空间,不能被用户进程直接寻址,所以还需要将页缓存中数据页再次拷贝到内存对应的用户空间中。...但是需要提的是,mmap 在内核崩溃、突然断电的情况下也一样有 可能引起内容丢失,当然我们也可以使用 msync 来强制同步写。 3.提供进程间共享内存及相互通信的方式。...如果进程A和进程B都映射了区域C,当A第一次读取C时通过缺页从磁盘复制文件页到内存中;但当B再读C的相同页面时,虽然也会产生缺页异常,但是不再需要从磁盘中复制文件过来,而可直接使用已经保存在内存中的文件数据
当程序引用到一段在物理内存的地址空间时,由硬件立刻执行必要的映射;而当程序引用到一段不在物理内存中的地址空间时,由操作系统负责将缺失的部分装入物理内存并重新执行失败的指令。...这里我们基于一个例子来分析当页面命中时,计算机各个硬件是如何交互的: 第 1 步:处理器生成一个虚拟地址 VA,通过总线发送到 MMU; 第 2 步:MMU 通过虚拟页号得到页表项的地址 PTEA,通过内存总线从...我们都清楚 MMU 的工作就是要把虚拟内存地址翻译成物理内存地址,现在索引结构变了,物理页框号 PPN 作为索引,从原来的 VPN --> PPN 变成了 PPN --> VPN,那么当进程尝试访问一个虚拟内存地址之时...这时候又是我们的老朋友 -- TLB 出场的时候了,我们只需要把高频使用的页面缓存在 TLB 中,借助于硬件,在 TLB 缓存命中的情况下虚拟内存地址的翻译过程就可以像普通页表那样快速,然而当 TLB...最后,虚拟内存技术中还需要涉及到操作系统的页面置换机制,由于页面置换机制也是一个较为庞杂和复杂的概念,本文便不再继续剖析这一部分的原理,我们在以后的文章中再单独拿来讲解。
3.缺页处理 当MMU在试图翻译某个虚拟地址A时,触发了一个缺页。缺页异常处理程序会做如下检查: - 1)虚拟地址A是否合法?即是否在链表mm_struct所描述的区域内。...即检查指令的权限是否与vm_prot字段所描述的页读写许可权限相匹配。 - 3)正常缺页。系统会负责把该虚拟内存区域对应的文件加载到内存中。...当CPU真的在这个地址上发起读写执行等操作时,因为文件的内容在磁盘上是不能被CPU访问的,所以OS会进入异常,系统的缺页处理程序会调用文件系统把一页或者多页的文件内容加载到物理内存中。...5.为什么mmap()可以节约IO读写时间 常规文件操作为了提高读写效率和保护磁盘,使用了页缓存机制,这是由OS控制的。...这样造成读文件时需要先将文件页从磁盘拷贝到页缓存中,由于页缓存处在内核空间,不能被用户进程直接寻址,所以还需要将页缓存中数据页再次拷贝到内存对应的用户空间中。
Translation)才能映射到存放数据的物理地址; 优化 3 - 页缓存: 为了提高读写效率和保护磁盘,操作系统在文件系统中使用了页缓存机制。...2.3 为什么在 CPU 和内存之间增加高速缓存?...而如果 CPU 能直接从缓存中获取数据,就可以减少竞争,提高 CPU 的效率。 关于 CPU 三级高速缓存的更多内容,请关注专栏文章。 CPU 三级缓存 2.4 为什么要使用虚拟内存访问内存?...当物理内存资源不足时,操作系统会按照一定的算法将最近不常用的内存换出(Swap Out)到硬盘上,再把要访问数据从硬盘换入(Swap In)到物理内存上。...至于操作系统如何管理虚拟地址和内存地址之间的关系(段式、页式、段页式),对上层应用完全透明。 关于虚拟内存的更多内容,请关注专栏文章。 虚拟内存 ---- 3.
这里我们再举例简述高速缓存的内部操作: 假设需要读取缓存块是10个字节,高速缓存为50个字节,R0、R1的寄存器总计为20个字节,当R1需要读取某个地址的数据时,在第一次读取数据的时候将10字节先加载到高速缓存...,然后再由高速缓存传输到寄存器,此时R0有10字节的数据,如果下次还需要读取10个字节,同样因为高速缓存发现缓存中有相同数据,则直接从高速缓存读取10个字节到R1中。...内存 内存不仅仅是我们熟知的电脑内存,从广义上来说还包括只读存储,随机存储和高速缓存存储。 这里可能会有疑问为什么内存使用的最多却不如寄存器和高速缓存呢?...因为内存不仅仅需要和CPU通信还需要和其他的控制器和硬件打交道,管的事情越多效率自然越低,同时如果内存吃紧CPU还需要等待内存传输,当然这也可以反过来解释为什么需要高速缓存和寄存器。...另外还需要强调进行fork调用的时候并不会复制页表和内容,而是真正写入的时候会触发复制动作,这也是写时复制名字由来。
下面我们通过一幅图来对 mmap 的原理进行阐述: 从上图可以看出,mmap 的原理就是将虚拟内存空间映射到文件的页缓存,我们可以知道:对文件进行读写时需要经过页缓存进行中转的。...由于 mmap() 系统调用并没有直接将文件的页缓存映射到虚拟内存中,所以当访问到没有映射的虚拟内存地址时,将会触发 缺页异常。...将虚拟内存地址映射到页缓存的物理内存页(也就是将进程的页表项设置为上面生成的页表项的值)。 对于 filemap_fault() 函数是怎样读取文件页缓存的,本文不作解释,有兴趣的可以自行阅读源码。...当对映射后的虚拟内存进行读写操作时,其效果等价于直接对文件的页缓存进行读写操作。对文件的页缓存进行读写操作,也等价于对文件进行读写操作。...这样造成读文件时需要先将文件页从磁盘拷贝到页缓存中,由于页缓存处在内核空间,不能被用户进程直接寻址,所以还需要将页缓存中数据页再次拷贝到内存对应的用户空间中。
那么我们申请的这块虚拟内存到底有多大呢 ?...当进程开始访问这段虚拟内存区域时,发现这段虚拟内存区域背后没有任何物理内存与其关联,体现在内核中就是这段虚拟内存地址在页表中的 PTE 项是空的。...当任意一个进程,比如上图中的进程 1 开始访问这段映射的虚拟内存时,CPU 会把虚拟内存地址送到 MMU 中进行地址翻译,因为 mmap 只是为进程分配了虚拟内存,并没有分配物理内存,所以这段映射的虚拟内存在页表中是没有页表项...当进程 2 开始处理缺页逻辑的时候,进程 2 就懵了,为什么呢 ?...当大页内存池中的大页个数被耗尽时,如果此时继续有进程来申请大页,那么内核则会从当前系统中选取多个连续的普通 4K 大小的内存页,凑出若干个大页来供进程使用,这些被凑出来的大页叫做 surplus_hugepage
这里我们再举例简述高速缓存的内部操作: 假设需要读取缓存块是10个字节,高速缓存为50个字节,R0、R1的寄存器总计为20个字节,当R1需要读取某个地址的数据时,在第一次读取数据的时候将10字节先加载到高速缓存...,然后再由高速缓存传输到寄存器,此时R0有10字节的数据,如果下次还需要读取10个字节,同样因为高速缓存发现缓存中有相同数据,则直接从高速缓存读取10个字节到R1中。...内存: 内存不仅仅是我们熟知的电脑内存,从广义上来说还包括「只读存储,随机存储和高速缓存存储」。 这里可能会有疑问为什么内存使用的最多却不如寄存器和高速缓存呢?...因为内存不仅仅需要和CPU通信还需要和其他的控制器和硬件打交道,管的事情越多效率自然越低,同时如果内存吃紧CPU还需要等待内存传输,当然这也可以反过来解释为什么需要高速缓存和寄存器。...❞ 另外还需要强调进行fork调用的时候并不会复制页表和内容,而是真正写入的时候会触发复制动作,这也是写时复制名字由来。
系统监控报警,内存空间不足,但实际可用内存还是剩很多的,这是为什么? 究其原因,监控系统计算的可用内存算法有偏差,他只关注了计算机的“实际”内存,忽略了计算机的虚拟内存。...之后进行内存分配时,都以页为单位,那么虚拟内存页对应物理内存页的映射表就大大减小了,4G内存,只需要8M的映射表即可,一些进程没有使用到的虚拟内存,也并不需要保存映射关系,而且Linux还为大内存设计了多级页表...我们知道通过虚拟内存机制,每个进程都以为自己占用了全部内存,进程访问内存时,操作系统都会把进程提供的虚拟内存地址转换为物理地址,再去对应的物理地址上获取数据。...CPU中有一种硬件,内存管理单元MMU(Memory Management Unit)专门用来将翻译虚拟内存地址。CPU还为页表寻址设置了缓存策略,由于程序的局部性,其缓存命中率能达到 98%。...JVM进程占用虚拟内存过多 使用top查看系统性能时,我们会发现在VIRT这一列,Java进程会占用大量的虚拟内存, ?
,是通过内存映射来管理的 什么是内存映射 内存映射,其实就是将虚拟内存地址映射到物理内存地址 为了完成内存映射,内核为每个进程都维护了一张页表,记录虚拟地址与物理地址的映射关系 ?...,所以每次 mmap 都会发生缺页异常;在内存工作繁忙时,频繁的内存分配会导致大量的缺页异常,使内核的管理负担增大, 这也是 malloc 只对大块内存使用 mmap 的原因 总结 当这两种调用发生后,...,以页为单位来管理内存,并且会通过相邻页的合并,减少内存碎片化 在用户空间,malloc 通过 分配的内存,在释放时并不立即归还系统,而是缓存起来重复利用 brk() 在内核空间,Linux 则通过...,在应用程序用完内存后,还需要调用 或 unmap() ,来释放这些不用的内存 free() 回收 系统不会任由某个进程用完所有内存,在发现内存紧张时,系统就会通过一系列机制来回收内存 回收缓存:比如使用...Memory),直接杀掉占用大量内存的进程 回收不常访问的内存 会用到交换分区(以下简称 Swap) Swap 其实就是把一块磁盘空间当成内存来用 它可以把进程暂时不用的数据存储到磁盘中(这个过程称为换出),当进程访问这些内存时
在虚拟内存到物理内存转换的过程中,有很重要的一步就是进行地址翻译,下面介绍。...这里我们基于一个例子来分析当分析当页面命中时,计算机各个硬件是如何交互的: 第 1 步:处理器生成一个虚拟地址 VA,通过总线发送到 MMU; 第 2 步:MMU 通过虚拟页号得到页表项的地址 PTEA...1.2.2 加速翻译&优化页表 虚拟内存这项技术能不能真正地广泛应用到计算机中,还需要解决如下两个问题: 虚拟地址到物理地址的映射过程必须要非常快,地址翻译如何加速。...当删除时,若该 socket 已经存放在就绪列表中,它也应该被移除。...在这种模式下,当描述符从未就绪变为就绪时,内核通过 epoll 告诉你。
如果你还是不理解为什么要抽象出地址空间,每个进程要抽象出虚拟内存,可以这样想。...但是当进程需要访问自己的数据时肯定要去物理内存中的物理地址找数据,那么从虚拟内存向物理内存地址转换在页式管理中我们就需要通过页表这个数据结构来进行转换。 ?...如果没有快表,我们需要多次访问内存才能得到我们需要的页表项,前面说过二八定理,我们将经常使用的页表项缓存到TLB快表中,由于快表也是硬件集成的,它是并行的来查找,所以速度非常快。...FIFO先进先出算法 思想很简单,当需要置换页面时,将最早到来的置换出去,因为它存在的最久,这个算法是最简单的,但是缺不高效,因为我们不能保证停留最久的页面不是最常访问的。...写时复制 从fork函数创建子进程来看,其实是父子进程都通过各自的页表映射到物理内存上相同的页,当子进程修改数据时,页表上有访问权限位,得知只读时,操作系统会为它分配新的页。
当一个进程需要访问某个内存地址时,操作系统会首先查找进程的页表,确定该地址所对应的页。如果该页已经在内存中,操作系统直接将该页的内存地址返回给进程,进程可以直接访问。...当内存不足时,操作系统需要选择一个页面将其从内存中置换出来,为新的页面腾出空间。...虚拟内存将一个程序的地址空间划分为多个页(page),每个页的大小通常为4KB或者8KB。当程序访问某个虚拟地址时,需要将该虚拟地址转换为物理地址才能进行实际的内存访问。...当程序访问虚拟地址时,首先检查TLB是否已经缓存了对应的映射关系,如果缓存中存在,则直接使用缓存中的物理地址,从而避免了访问页表的开销。...当TLB已满并且需要存储新的映射关系时,需要进行替换。常用的替换算法包括最近最少使用(Least Recently Used,LRU)算法和随机替换算法。
发送文件 为什么要介绍 用户空间 和 内核空间 呢? 我们先来回忆一下,服务端发送一个文件给客户端一般需要进行什么操作。...图2 就是数据的复制过程,首先会从文件中读取数据到内核的 页缓存(page cache),然后再从页缓存中复制到用户空间的缓冲区中。...而当调用 write 系统调用把用户空间缓冲区中的数据发送到客户端 Socket 时,首先会把缓冲区的数据复制到内核的 Socket 缓冲区中,网卡驱动会把 Socket 缓冲区的数据发送出去,如图 3...从上图可以看出,服务端发送文件给客户端的过程中需要进行两次数据复制,第一次是从内核空间的页缓存复制到用户空间的缓冲区,第二次是从用户空间的缓冲区复制到内核空间的 Socket 缓冲区。...仔细观察我们可以发现,上图中的页缓存其实可以直接复制到 Socket 缓冲区,而不需要复制到用户空间缓冲区的。如图 4 所示: ? 如上图所示,不需要用户空间作为数据中转的技术叫 零拷贝技术。
性能最通俗的衡量指标就是“时间”,CPU的使用率指的是CPU用于计算的时间占比,磁盘使用率指的是磁盘操作的时间占比,当CPU使用率100%时,意味着有部分请求来不及计算,响应时间增加或者超时;当磁盘使用率...性能优化并不是一个孤立的课题,除了响应时间的考虑,我们往往还需要综合功能完整性、安全性等等方面的问题。...,页缓存缓存了虚拟内存的页面,包括文件系统的页面,提升了文件和目录的性能。...文件系统使用的内存脏页由内核线程写回磁盘,如图中的页面扫描器kswapd为后台的页面换出进程,当内存不足,超过一定时间(30s)或者有过多的脏页时都会触发磁盘回写。...在分析mysql在某机型上做非全cache非原地更新时,为什么单实例无法将机器性能压满的时候,我们在分析的过程中跟踪了块设备的内核事件。
当程序访问虚拟内存地址时,操作系统会进行地址转换,将虚拟地址映射到物理地址上,这样不同的进程运行时,写入的是不同的物理地址,避免了互相覆盖指针的问题。...虚拟地址与物理地址之间通过页表来映射,如下图:由于内存空间事先划分为固定大小的页,不会像分段机制那样产生碎片。当释放内存时,以页为单位进行释放,避免了无法利用的小内存块。...假设只有20%的一级页表项被使用,那么页表占用的内存空间只有0.804MB,相比于单级页表的4MB,内存节约非常巨大。为什么不分级的页表无法实现这样的内存节约呢?...当CPU进行寻址时,首先会查找TLB,如果找到了对应的页表项,就可以直接进行物理地址的访问,避免了继续查找常规页表的开销。由于TLB中存储的是程序最常访问的几个页表项,所以TLB的命中率通常是很高的。...虚拟内存的实现方式有分段和分页,其中分页机制更为常用,采用多级页表的方式节约了内存空间。页表缓存TLB能够加快虚拟地址到物理地址的转换速度。
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