虛擬內(nèi)存是計(jì)算機(jī)物理內(nèi)存中劃分出來的一部分。虛擬內(nèi)存是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)存管理的一種技術(shù)，它通常是被分隔成多個(gè)物理內(nèi)存碎片，還有部分暫時(shí)存儲(chǔ)在外部磁盤存儲(chǔ)器上，在需要時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

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操作系統(tǒng)有虛擬內(nèi)存與物理內(nèi)存的概念。在很久以前，還沒有虛擬內(nèi)存概念的時(shí)候，程序?qū)ぶ酚玫亩际俏锢淼刂贰３绦蚰軐ぶ返姆秶怯邢薜?，這取決于CPU的地址線條數(shù)。比如在32位平臺(tái)下，尋址的范圍是2^32也就是4G。并且這是固定的，如果沒有虛擬內(nèi)存，且每次開啟一個(gè)進(jìn)程都給4G的物理內(nèi)存，就可能會(huì)出現(xiàn)很多問題：

因?yàn)槲业奈锢韮?nèi)存時(shí)有限的，當(dāng)有多個(gè)進(jìn)程要執(zhí)行的時(shí)候，都要給4G內(nèi)存，很顯然你內(nèi)存小一點(diǎn)，這很快就分配完了，于是沒有得到分配資源的進(jìn)程就只能等待。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程執(zhí)行完了以后，再將等待的進(jìn)程裝入內(nèi)存。這種頻繁的裝入內(nèi)存的操作是很沒效率的

由于指令都是直接訪問物理內(nèi)存的，那么我這個(gè)進(jìn)程就可以修改其他進(jìn)程的數(shù)據(jù)，甚至?xí)薷膬?nèi)核地址空間的數(shù)據(jù)，這是我們不想看到的

因?yàn)閮?nèi)存時(shí)隨機(jī)分配的，所以程序運(yùn)行的地址也是不正確的。

于是針對(duì)上面會(huì)出現(xiàn)的各種問題，虛擬內(nèi)存就出來了。

一個(gè)進(jìn)程運(yùn)行時(shí)都會(huì)得到4G的虛擬內(nèi)存。這個(gè)虛擬內(nèi)存你可以認(rèn)為，每個(gè)進(jìn)程都認(rèn)為自己擁有4G的空間，這只是每個(gè)進(jìn)程認(rèn)為的，但是實(shí)際上，在虛擬內(nèi)存對(duì)應(yīng)的物理內(nèi)存上，可能只對(duì)應(yīng)的一點(diǎn)點(diǎn)的物理內(nèi)存，實(shí)際用了多少內(nèi)存，就會(huì)對(duì)應(yīng)多少物理內(nèi)存。

進(jìn)程得到的這4G虛擬內(nèi)存是一個(gè)連續(xù)的地址空間（這也只是進(jìn)程認(rèn)為），而實(shí)際上，它通常是被分隔成多個(gè)物理內(nèi)存碎片，還有一部分存儲(chǔ)在外部磁盤存儲(chǔ)器上，在需要時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

進(jìn)程開始要訪問一個(gè)地址，它可能會(huì)經(jīng)歷下面的過程

每次我要訪問地址空間上的某一個(gè)地址，都需要把地址翻譯為實(shí)際物理內(nèi)存地址

所有進(jìn)程共享這整一塊物理內(nèi)存，每個(gè)進(jìn)程只把自己目前需要的虛擬地址空間映射到物理內(nèi)存上

進(jìn)程需要知道哪些地址空間上的數(shù)據(jù)在物理內(nèi)存上，哪些不在（可能這部分存儲(chǔ)在磁盤上），還有在物理內(nèi)存上的哪里，這就需要通過頁(yè)表來記錄

頁(yè)表的每一個(gè)表項(xiàng)分兩部分，第一部分記錄此頁(yè)是否在物理內(nèi)存上，第二部分記錄物理內(nèi)存頁(yè)的地址（如果在的話）

當(dāng)進(jìn)程訪問某個(gè)虛擬地址的時(shí)候，就會(huì)先去看頁(yè)表，如果發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)不在物理內(nèi)存上，就會(huì)發(fā)生缺頁(yè)異常

缺頁(yè)異常的處理過程，操作系統(tǒng)立即阻塞該進(jìn)程，并將硬盤里對(duì)應(yīng)的頁(yè)換入內(nèi)存，然后使該進(jìn)程就緒，如果內(nèi)存已經(jīng)滿了，沒有空地方了，那就找一個(gè)頁(yè)覆蓋，至于具體覆蓋的哪個(gè)頁(yè)，就需要看操作系統(tǒng)的頁(yè)面置換算法是怎么設(shè)計(jì)的了。

關(guān)于虛擬內(nèi)存與物理內(nèi)存的聯(lián)系，下面這張圖可以幫助我們鞏固。

頁(yè)表的工作原理如下圖

我們的cpu想訪問虛擬地址所在的虛擬頁(yè)(VP3)，根據(jù)頁(yè)表，找出頁(yè)表中第三條的值.判斷有效位。 如果有效位為1，DRMA緩存命中，根據(jù)物理頁(yè)號(hào)，找到物理頁(yè)當(dāng)中的內(nèi)容，返回。

若有效位為0，參數(shù)缺頁(yè)異常，調(diào)用內(nèi)核缺頁(yè)異常處理程序。內(nèi)核通過頁(yè)面置換算法選擇一個(gè)頁(yè)面作為被覆蓋的頁(yè)面，將該頁(yè)的內(nèi)容刷新到磁盤空間當(dāng)中。然后把VP3映射的磁盤文件緩存到該物理頁(yè)上面。然后頁(yè)表中第三條，有效位變成1，第二部分存儲(chǔ)上了可以對(duì)應(yīng)物理內(nèi)存頁(yè)的地址的內(nèi)容。

缺頁(yè)異常處理完畢后，返回中斷前的指令，重新執(zhí)行，此時(shí)緩存命中，執(zhí)行1。

將找到的內(nèi)容映射到告訴緩存當(dāng)中，CPU從告訴緩存中獲取該值，結(jié)束。

再來總結(jié)一下虛擬內(nèi)存是怎么工作的

當(dāng)每個(gè)進(jìn)程創(chuàng)建的時(shí)候，內(nèi)核會(huì)為進(jìn)程分配4G的虛擬內(nèi)存，當(dāng)進(jìn)程還沒有開始運(yùn)行時(shí)，這只是一個(gè)內(nèi)存布局。實(shí)際上并不立即就把虛擬內(nèi)存對(duì)應(yīng)位置的程序數(shù)據(jù)和代碼（比如.text .data段）拷貝到物理內(nèi)存中，只是建立好虛擬內(nèi)存和磁盤文件之間的映射就好（叫做存儲(chǔ)器映射）。這個(gè)時(shí)候數(shù)據(jù)和代碼還是在磁盤上的。當(dāng)運(yùn)行到對(duì)應(yīng)的程序時(shí)，進(jìn)程去尋找頁(yè)表，發(fā)現(xiàn)頁(yè)表中地址沒有存放在物理內(nèi)存上，而是在磁盤上，于是發(fā)生缺頁(yè)異常，于是將磁盤上的數(shù)據(jù)拷貝到物理內(nèi)存中。

另外在進(jìn)程運(yùn)行過程中，要通過malloc來動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存時(shí)，也只是分配了虛擬內(nèi)存，即為這塊虛擬內(nèi)存對(duì)應(yīng)的頁(yè)表項(xiàng)做相應(yīng)設(shè)置，當(dāng)進(jìn)程真正訪問到此數(shù)據(jù)時(shí)，才引發(fā)缺頁(yè)異常。

可以認(rèn)為虛擬空間都被映射到了磁盤空間中（事實(shí)上也是按需要映射到磁盤空間上，通過mmap，mmap是用來建立虛擬空間和磁盤空間的映射關(guān)系的）

利用虛擬內(nèi)存機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)

既然每個(gè)進(jìn)程的內(nèi)存空間都是一致而且固定的（32位平臺(tái)下都是4G），所以鏈接器在鏈接可執(zhí)行文件時(shí)，可以設(shè)定內(nèi)存地址，而不用去管這些數(shù)據(jù)最終實(shí)際內(nèi)存地址，這交給內(nèi)核來完成映射關(guān)系

當(dāng)不同的進(jìn)程使用同一段代碼時(shí)，比如庫(kù)文件的代碼，在物理內(nèi)存中可以只存儲(chǔ)一份這樣的代碼，不同進(jìn)程只要將自己的虛擬內(nèi)存映射過去就好了，這樣可以節(jié)省物理內(nèi)存

在程序需要分配連續(xù)空間的時(shí)候，只需要在虛擬內(nèi)存分配連續(xù)空間，而不需要物理內(nèi)存時(shí)連續(xù)的，實(shí)際上，往往物理內(nèi)存都是斷斷續(xù)續(xù)的內(nèi)存碎片。這樣就可以有效地利用我們的物理內(nèi)存

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