Update basis.md

Author: Snailclimb

docs/operating-system/basis.md

@@ -90,7 +90,9 @@
 
 👨‍💻 **面试官**: **操作系统的内存管理机制了解吗？内存管理有哪几种方式?**
 
-🙋 **我：** 这个在学习操作系统的时候有了解过。我了解的有下面 3 种：
+🙋 **我：** 这个在学习操作系统的时候有了解过。
+
+简单分为**连续分配管理方式**和**非连续分配管理方式**这两种。连续分配管理方式是指为一个用户程序分配一个连续的内存空间，常见的如 **块式管理** 。同样地，非连续分配管理方式允许一个程序使用的内存分布在离散或者说不相邻的内存中，常见的如**页式管理** 和 **段式管理**。
 
 1. **块式管理** ： 远古时代的计算机操系统的内存管理方式。将内存分为几个固定大小的块，每个块中只包含一个进程。如果程序运行需要内存的话，操作系统就分配给它一块，如果程序运行只需要很小的空间的话，分配的这块内存很大一部分几乎被浪费了。这些在每个块中未被利用的空间，我们称之为碎片。
 2. **页式管理** ：把主存分为大小相等且固定的一页一页的形式，页较小，相对相比于块式管理的划分力度更大，提高了内存利用率，减少了碎片。页式管理通过页表对应逻辑地址和物理地址。
@@ -102,6 +104,38 @@
 
 <img src="http://ww4.sinaimg.cn/large/6af89bc8gw1f8txoxc2asj20k00k0mxv.jpg" alt="这就很尴尬了_尴尬表情" height="200px"/>
 
+### 快表和多级页表
+
+👨‍💻**面试官** ： 页表管理机制中有两个很重要的概念：快表和多级页表，这两个东西分别解决了页表管理中很重要的两个问题。你给我简单介绍一下吧！
+
+🙋 **我** ：在分页内存管理中，很重要的两点是：
+
+1. 虚拟地址到物理地址的转换要快。
+2. 解决虚拟地址空间大，页表也会很大的问题。
+
+#### 快表
+
+为了解决虚拟地址到物理地址的转换速度，操作系统在 **页表方案** 基础之上引入了 **快表** 来加速虚拟地址到物理地址的转换。我们可以把块表理解为一种特殊的高速缓冲存储器（Cache），其中的内容是页表的一部分或者全部内容。作为页表的Cache，它的作用与页表相似，但是提高了访问速率。由于采用页表做地址转换，读写内存数据时CPU要访问两次主存。有了快表，有时只要访问一次高速缓冲存储器，一次主存，这样可加速查找并提高指令执行速度。
+
+使用快表之后的地址转换流程是这样的：
+
+1. 根据虚拟地址中的页号查快表；
+2. 如果该页在快表中，直接从快表中读取相应的物理地址；
+3. 如果该页不在快表中，就访问内存中的页表，再从页表中得到物理地址，同时将页表中的该映射表项添加到快表中；
+4. 当快表填满后，又要登记新页时，就按照一定的淘汰策略淘汰掉快表中的一个页。
+
+看完了之后你会发现快表和我们平时经常在我们开发的系统使用的缓存（比如 Redis）很像，的确是这样的，操作系统中的很多思想、很多经典的算法，你都可以在我们日常开发使用的各种工具或者框架中找到它们的影子。
+
+#### 多级页表 
+
+引入多级页表的主要目的是为了避免把全部页表一直放在内存中占用过多空间，特别是那些根本就不需要的页表就不需要保留在内存中。多级页表属于时间换空间的典型场景，具体可以查看下面这篇文章
+
+- 多级页表如何节约内存：[https://www.polarxiong.com/archives/多级页表如何节约内存.html](https://www.polarxiong.com/archives/多级页表如何节约内存.html)
+
+#### 总结
+
+为了提高内存的空间性能，提出了多级页表的概念；但是提到空间性能是以浪费时间性能为基础的，因此为了补充损失的时间性能，提出了快表（即TLB）的概念。 不论是快表还是多级页表实际上都利用到了程序的局部性原理，局部性原理在后面的虚拟内存这部分会介绍到。
+
 ### 分页机制和分段机制的共同点和区别
 
 👨‍💻**面试官** ： **分页机制和分段机制有哪些共同点和区别呢？**
@@ -114,12 +148,14 @@
    - 页的大小是固定的，由操作系统决定；而段的大小不固定，取决于我们当前运行的程序。
    - 分页仅仅是为了满足操作系统内存管理的需求，而段是逻辑信息的单位，在程序中可以体现为代码段，数据段，能够更好满足用户的需要。
 
-### 逻辑（虚拟）地址和物理地址
+### 逻辑(虚拟)地址和物理地址
 
 👨‍💻**面试官** ：你刚刚还提到了**逻辑地址和物理地址**这两个概念，我不太清楚，你能为我解释一下不？
 
 🙋 **我：** em...好的嘛！我们编程一般只有可能和逻辑地址打交道，比如在 C 语言中，指针里面存储的数值就可以理解成为内存里的一个地址，这个地址也就是我们说的逻辑地址，逻辑地址由操作系统决定。物理地址指的是真实物理内存中地址，更具体一点来说就是内存地址寄存器中的地址。物理地址是内存单元真正的地址。
 
+### CPU寻址了解吗?为什么需要虚拟地址空间?
+
 👨‍💻**面试官** ：**CPU寻址了解吗?为什么需要虚拟地址空间?**
 🙋 **我** ：这部分我真不清楚！
 
@@ -129,18 +165,25 @@
 
 > 这部分内容参考了Microsoft官网的介绍，地址：<https://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/windows/hardware/hh439648(v=vs.85).aspx>
 
-现代处理器使用的是一种称为 **虚拟寻址(Virtual Addressing)** 的寻址方式。**使用虚拟寻址，CPU需要将虚拟地址翻译成物理地址，这样才能访问到真实的物理内存。** 实际上完成虚拟地址转换为物理地址转换的硬件是 CPU 中含有一个被称为 **内存管理单元（Memory Management Unit, MMU）**的硬件。MMU 需要借助存放在内存中的页表来动态翻译虚拟地址，该页表由操作系统管理。
+现代处理器使用的是一种称为 **虚拟寻址(Virtual Addressing)** 的寻址方式。**使用虚拟寻址，CPU需要将虚拟地址翻译成物理地址，这样才能访问到真实的物理内存。** 实际上完成虚拟地址转换为物理地址转换的硬件是 CPU 中含有一个被称为 **内存管理单元（Memory Management Unit, MMU）**的硬件。如下图所示：
+
+![MMU_principle_updated](https://my-blog-to-use.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/2019-11/2b27dac8cc647f8aac989da2d1166db2.png)
+
+**为什么要有虚拟地址空间呢？**
 
-如果虚拟地址，直接把物理地址暴露出来的话会带来严重问题，比如可能对操作系统造成伤害以及给同时运行多个程序造成困难。
+先从没有虚拟地址空间的时候说起吧！没有虚拟地址空间的时候，**程序都是直接访问和操作的都是物理内存** 。但是这样有什么问题呢？
+
+1. 用户程序可以访问任意内存，寻址内存的每个字节，这样就很容易（有意或者无意）破坏操作系统，造成操作系统崩溃。
+2. 想要同时运行多个程序特别困难，比如你想同时运行一个微信和一个QQ音乐都不行。为什么呢？举个简单的例子：微信在运行的时候给内存地址1xxx赋值后，QQ音乐也同样给内存地址1xxx赋值，那么QQ音乐对内存的赋值就会覆盖微信之前所赋的值，这就造成了微信这个程序就会崩溃。
+
+**总结来说：如果直接把物理地址暴露出来的话会带来严重问题，比如可能对操作系统造成伤害以及给同时运行多个程序造成困难。**
 
 通过虚拟地址访问内存有以下优势：
 
 - 程序可以使用一系列相邻的虚拟地址来访问物理内存中不相邻的大内存缓冲区。
 - 程序可以使用一系列虚拟地址来访问大于可用物理内存的内存缓冲区。当物理内存的供应量变小时，内存管理器会将物理内存页（通常大小为 4 KB）保存到磁盘文件。数据或代码页会根据需要在物理内存与磁盘之间移动。
 - 不同进程使用的虚拟地址彼此隔离。一个进程中的代码无法更改正在由另一进程或操作系统使用的物理内存。
 
-![MMU_principle_updated](https://my-blog-to-use.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/2019-11/2b27dac8cc647f8aac989da2d1166db2.png)
-
 ## 虚拟内存
 
 ###什么是虚拟内存(Virtual Memory)?
@@ -172,16 +215,33 @@
 
 ### 虚拟存储器
 
-👨‍💻**面试官** ：虚拟存储了解么？
+👨‍💻**面试官** ：都说了虚拟内存了。你再讲讲虚拟存储器把！
 🙋 **我** ：
 
 > 这部分内容来自：[王道考研操作系统知识点整理]( https://wizardforcel.gitbooks.io/wangdaokaoyan-os/content/13.html)。
 
-基于局部性原理，在程序装入时，可以将程序的一部分装入内存，而将其他部分留在外存，就可以启动程序执行。在程序执行过程中，当所访问的信息不在内存时，由操作系统将所需要的部分调入内存，然后继续执行程序。另一方面，操作系统将内存中暂时不使用的内容换到外存上，从而腾出空间存放将要调入内存的信息。这样，计算机好像为用户提供了一个比实际内存大的多的存储器，成为 **虚拟存储器**。
+基于局部性原理，在程序装入时，可以将程序的一部分装入内存，而将其他部分留在外存，就可以启动程序执行。由于外存往往比内存大很多，所以我们运行的软件的内存大小实际上是可以比计算机系统实际的内存大小大的。在程序执行过程中，当所访问的信息不在内存时，由操作系统将所需要的部分调入内存，然后继续执行程序。另一方面，操作系统将内存中暂时不使用的内容换到外存上，从而腾出空间存放将要调入内存的信息。这样，计算机好像为用户提供了一个比实际内存大的多的存储器，成为 **虚拟存储器**。
+
+实际上，我觉得虚拟内存同样是一种时间换空间的策略，你用 CPU 的计算时间，页的调入调出花费的时间，换来了一个虚拟的更大的空间来支持程序的运行。不得不感叹，程序世界几乎不是时间换空间就是空间换时间。 
+
+### 虚拟内存的技术实现
+
+👨‍💻**面试官** ：虚拟内存技术的实现呢？
+🙋 **我** ：**虚拟内存的实现需要建立在离散分配的内存管理方式的基础上。** 虚拟内存的实现有以下三种方式：
+
+1. **请求分页存储管理** ：建立在基本分页系统基础之上，为了支持虚拟存储器功能而增加了请求调页功能和页面置换功能。请求分页是目前最常用的一种实现虚拟存储器的方法。
+2. **请求分段存储管理** ：
+3. **请求段页式存储管理** ：
+
+不管是上面那种实现方式，我们一般都需要：
+
+1. 一定容量的内存和外存：在载入程序的时候，只需要将程序的一部分装入内存，而将其他部分留在外存，然后程序就可以执行了；
+2. **缺页中断**：如果**需执行的指令或访问的数据尚未在内存**（称为缺页或缺段），则由处理器通知操作系统将相应的页面或段**调入到内存**，然后继续执行程序；
+3. **虚拟地址空间** ：逻辑地址到物理地址的变换。
 
 ### 页面置换算法
 
-👨‍💻**面试官** ：**页面置换算法的作用?常见的页面置换算法有哪些?**
+👨‍💻**面试官** ：虚拟内存管理很重要的一个概念就是页面置换算法。那你说一下 **页面置换算法的作用?常见的页面置换算法有哪些?**
 🙋 **我** ：
 
 > 这个题目经常作为笔试题出现，网上已经给出了很不错的回答，我这里只是总结整理了一下。
@@ -199,6 +259,8 @@
 - 《计算机操作系统—汤小丹》第四版
 - [《深入理解计算机系统》](https://book.douban.com/subject/1230413/)
 - [https://zh.wikipedia.org/wiki/输入输出内存管理单元](https://zh.wikipedia.org/wiki/输入输出内存管理单元)
+- [https://baike.baidu.com/item/快表/19781679](https://baike.baidu.com/item/快表/19781679)
+- https://www.jianshu.com/p/1d47ed0b46d5
 - <https://www.studytonight.com/operating-system>
 - <https://www.geeksforgeeks.org/interprocess-communication-methods/>
 - <https://juejin.im/post/59f8691b51882534af254317>