相对于直接映射内存，虚拟内存的性能影响是什么？

Question

虚拟内存是一种方便的方法，可以在进程之间隔离内存，并为每个进程提供自己的地址空间。它通过将虚拟地址转换为物理地址来工作。

我已经非常熟悉虚拟内存的工作原理和实现。我不知道的是虚拟内存相对于直接映射内存的性能影响，直接映射内存不需要翻译开销。

请不要说没有开销。这显然是错误的，因为遍历页表需要多次内存访问。TLB未命中可能很少，因此对性能的影响可以忽略不计，但是，如果是这种情况，应该有证据证明这一点。

我也意识到虚拟内存对于现代操作系统提供的许多功能的重要性，所以这个问题不是关于虚拟内存是好是坏（对于大多数用例来说这显然是一件好事），我只是问虚拟内存的性能影响。

我要寻找的答案在理想情况下是这样的：虚拟内存比直接映射增加了x%的开销，这是一篇文章。我试图寻找有这样结果的论文，但没有找到。

Answer 1

这个问题很难明确回答，因为虚拟内存是现代系统的一个组成部分。现代系统旨在支持虚拟内存，大多数软件都是使用具有虚拟内存的系统编写和优化的。

然而，在21世纪初，微软研究院开发了一种称为Signularity的研究操作系统，除其他外，它不依赖于虚拟内存进行进程隔离。作为该项目的一部分，他们发表了一篇论文，分析了进程隔离的硬件支持开销。本文的标题是解构过程隔离（此处为非付费链接）。研究人员在论文中写道：

大多数操作系统使用CPU的内存管理硬件来提供进程隔离，使用两种机制。首先，进程只允许访问物理内存的某些页面。其次，权限级别防止不受信任的代码操纵实现进程的系统资源，例如内存管理单元（MMU）或中断控制器。这些机制的非平凡性能成本在很大程度上是隐藏的，因为没有广泛使用的替代方法进行比较。由于异常处理、内联TLB查找、TLB重新加载和维护内核数据结构（如页表）[29]，从虚拟地址到物理地址的映射可能会产生高达10%-30%的开销。此外，虚拟内存和权限级别增加了进程间通信的成本。

他们后来在论文中写道：

虚拟内存系统（除SPUR[46]等纯软件系统外）依赖于地址转换的硬件缓存，以避免每次处理器缓存未命中时访问页表。管理TLB条目有成本，Jacob和Mudge估计在模拟MIPS类处理器上的成本为5-10%[29]。虚拟内存系统还将其数据以及某些系统中的代码带入处理器的缓存，从而逐出用户代码和数据。Jacob和Mudge估计，使用小缓存时，这些引发的未命中可能会将开销增加到10%-20%。此外，他们发现虚拟内存引起的中断可以将开销增加到10–30%。其他研究发现，尽管实际成本非常依赖于系统细节和基准[3、6、10、26、36、40、41]，但间接成本类似甚至更高。此外，TLB访问是许多处理器设计的关键路径[2，30]，因此可能会影响处理器时钟速度。

总的来说，我对这些结果持保留态度，因为这项研究正在推广一种替代系统。但很明显，实现虚拟内存有一些开销，本文试图量化其中一些开销（在评估可能的替代方案的背景下）。我建议阅读这篇文章以了解更多细节。