虚拟内存与物理内存

如何管理内存？

当多个程序同时运行时，如何让多个应用程序共同使用物理内存资源？有两种简单的方法：

1. 使某一个应用程序独占所有的内存资源。一个程序要运行就将另一个程序的内存数据转存到硬盘中，使要运行的程序独占所有内存资源。

   • 缺点：硬盘读写速度很慢（相对而言），如果应用程序频繁切换，必然会造成大量时间开销。

2. 让每一个应用程序独占一部分内存资源。多个应用程序的数据，可以一直保存在内存中，避免了硬盘读写的时间开销。

   • 缺点：无法保证不同应用程序内存之间
   • 的隔离性，如果应用程序A错误读取或修改了应用程序B的内存数据，就会造成严重的后果。
   • 缺点：无法保证每个应用程序分到的内存地址是连续的，这会增加程序编写的复杂度。

虚拟内存

为了使不同的应用程序高效，安全的使用内存，虚拟内存应运而生。顾名思义，虚拟内存是对物理内存的一种抽象，它介于应用程序与物理内存之间。应用程序是面向虚拟内存编写的，而不再是面向物理内存编写的。应用程序在运行时只能使用虚拟地址CPU负责将虚拟地址翻译成物理地址，操作系统负责设置虚拟地址到物理地址的映射。

优点：

1. 应用程序只能看到自己的虚拟地址空间，从而保证了应用程序之间内存的隔离性，使应用程序运行更安全。
2. 每个应用程序的虚拟内存空间是连续的、统一的，从而降低了编程的复杂性。

地址翻译：CPU中的内存管理单元（MMU）负责将虚拟内存翻译成物理内存。为了加速地址翻译过程，MMU中还加入了转址旁路缓存（TLB），TLB可以缓存一部分虚拟地址到物理地址的映射，从而加速翻译。

虚拟内存是硬件提供的一种功能，而不是操作系统提供的。

分段和分页

分段和分页是MMU将虚拟地址翻译为物理地址的两种机制。

分段

在分段的机制下，操作系统以“段”（一段连续的物理内存）的形式来管理、分配虚拟内存和物理内存。应用程序的虚拟地址空间由若干个不同大小的段组成，比如：代码段、数据段。

每一段都是一个虚拟地址空间，虚拟地址由两部分组成：段号和段内地址。MMU通过段表找到对应的物理段，再通过虚拟地址中的段内地址（偏移量）找到对应的物理地址。

缺点：造成物理出现外部碎片。虚拟地址中相邻的段对应到物理内存中可能就不相邻了，这样虽然实现了物理内存的离散分配，但是可能造成物理内存中相邻的段之间出现内存碎片（不足以映射给虚拟内存中的段）。

分页

将应用程序的虚拟地址空间划分成连续的，等长的虚拟页，同时物理内存也被划分为等长的，连续的虚拟页。操作系统为每一个应用程序构造页表（虚拟页到物理页的映射关系表）。分页机制下的虚拟地址由两部分构成：虚拟页号和页内偏移量。

MMU通过应用程序的页表找到虚拟页号对应的物理地址，再通过页内偏移量找到对应的物理地址。

多级页表

上面的简单分页机制在32位操作系统中，还能用，但是在64位操作系统中就不行了。64位操作系统，虚拟地址长64位，也就是8个字节，64位寻址范围是0~2^64，如果一个虚拟页大小4KB，那么就会有2^64/4KB个虚拟页，如果用一张页表来记录，一个页表项8字节，那么页表大小就为2^64/4KB*8，这是一个无法接受的数字。为了压缩页表的大小，多级页表应运而生。下面是一个4级页表的示意图：

在多级分页机制下，0级页表只有一个页表页，而其余每一级页表都可以拥有多个离散的页表页。虚拟地址可以分为两部分：虚拟页号和页内偏移。只不过虚拟页号可以进一步分为四个部分，依次对应其在对应级数页表中的索引。当任意一级页表中的条目为空时，就意味着该条目对应的下一级页表不需要存在，因此节省了大量空间（不过增加了翻译时间，时间换空间）。

换页和缺页异常

换页是一种当物理内存不足时的一种机制。物理内存紧张时，操作系统会将一些物理页写入到磁盘中来腾出空间，这叫换出，当物理内存不紧张时，再将换出的物理页读回内存，这叫换入。换页机制能够工作的前提是缺页异常，物理页被换出，但是页表中与之对应的虚拟页仍然处于已分配状态，但是当应用程序访问该虚拟页时却发现该虚拟页没有映射到物理页，于是就会触发缺页异常。

利用换页机制，操作系统可以把物理内存放不下的数据临时存储在磁盘上，等到需要的时候再放回到物理内存中，从而能够为应用程序提供超过物理内存容量的虚拟内存空间，不过换页耗时较高会使程序运行变慢，常见的页替换策略：MIN策略/opt策略、FIFO策略、LRU策略。