虚拟地址虚拟内存物理地址

物理内存和虚拟内存

我们先来了解一下，什么是物理内存，什么又是虚拟内存？

1.物理内存：指通过物理内存条而获得的内存空间，主要作用是在计算机运行时为操作系统和各种程序提供临时储存。

2.虚拟内存：对内存架构(内存、缓存、硬盘)进行管理(内存管理系统)的一种手段。简单理解就是在硬盘上划分出一块区域作为内存使用。

2.1 对于用户：

计算机主要面向的是对操作系统等计算机知识几乎没有了解的普通大众，他们大多是不了解什么主存外存的，所以为了方便用户的使用，就有必要使得程序不管是位于内存架构的哪个层次，对于用户来说都是一样的。虚拟内存就是让内存管理实现媒介透明的手段。

2.2 对于主存：

众所周知，一个程序要想运行，就必须加载到物理主存(内存)中，但是物理主存的容量是非常有限的，我们当然可以选择购买更大的物理主存，可是很费钱，那么还有没有什么办法可以在不明显增加成本的基础上扩大内存容量的呢？

虚拟内存就可以做到，它的手段就是将物理主存扩大到便宜、容量大的磁盘上，即将磁盘空间也看作是主存空间的一部分

CPU运行时首先会去自身的缓存中寻找，如果没有再去内存中找。

硬盘中的数据会先写入内存才能被CPU使用。

缓存会记录一些常用的数据等信息，以免每次都要到内存中，节省了时间，提高了效率。

内存+缓存 -> 内存储空间

硬盘 -> 外存储空间

逻辑地址/物理地址/虚拟内存

所谓的逻辑地址，是指计算机用户(例如程序开发者)，看到的地址。例如，当创建一个长度为100的整型数组时，操作系统返回一个逻辑上的连续空间：指针指向数组第一个元素的内存地址。由于整型元素的大小为4个字节，故第二个元素的地址时起始地址加4，以此类推。事实上，逻辑地址并不一定是元素存储的真实地址，即数组元素的物理地址(在内存条中所处的位置)，并非是连续的，只是操作系统通过地址映射，将逻辑地址映射成连续的，这样更符合人们的直观思维。

另一个重要概念是虚拟内存。操作系统读写内存的速度可以比读写磁盘的速度快几个量级。但是，内存价格也相对较高，不能大规模扩展。于是，操作系统可以通过将部分不太常用的数据移出内存，“存放到价格相对较低的磁盘缓存，以实现内存扩展。操作系统还可以通过算法预测哪部分存储到磁盘缓存的数据需要进行读写，提前把这部分数据读回内存。虚拟内存空间相对磁盘而言要小很多，因此，即使搜索虚拟内存空间也比直接搜索磁盘要快。唯一慢于磁盘的可能是，内存、虚拟内存中都没有所需要的数据，最终还需要从硬盘中直接读取。这就是为什么内存和虚拟内存中需要存储会被重复读写的数据，否则就失去了缓存的意义。

现代计算机中有一个专门的转译缓冲区(Translation Lookaside Buffer，TLB)，用来实现虚拟地址到物理地址的快速转换。

与内存／虚拟内存相关的还有如下两个概念：

1) Resident Set

当一个进程在运行的时候，操作系统不会一次性加载进程的所有数据到内存，只会加载一部分正在用，以及预期要用的数据。其他数据可能存储在虚拟内存，交换区和硬盘文件系统上。被加载到内存的部分就是resident set。

2) Thrashing

由于resident set包含预期要用的数据，理想情况下，进程运行过程中用到的数据都会逐步加载进resident set。但事实往往并非如此：每当需要的内存页面(page)不在resident set中时，操作系统必须从虚拟内存或硬盘中读数据，这个过程被称为内存页面错误(page faults)。当操作系统需要花费大量时间去处理页面错误的情况就是thrashing。

虚拟地址与虚拟内存的理解

首先，虚拟地址空间是不等于虚拟内存的（我的一本Linux教材上写的是这两个概念一致的，我认为是错误的）。我们来看一下这几个概念：

虚拟内存：虚拟内存是一种逻辑上扩充物理内存的技术。基本思想是用软、硬件技术把内存与外存这两级存储器当做一级存储器来用。虚拟内存技术的实现利用了自动覆盖和交换技术。简单的说就是将硬盘的一部分作为内存来使用。

虚拟地址空间：在32位的i386 CPU的地址总线的是32位的，也就是说可以寻找到4G的地址空间。我们的程序被CPU执行，就是在0x00000000到0xFFFFFFFF这一段地址中。高2G的空间为内核空间，由操作系统调用，低2G的空间为用户空间，由用户使用。

CPU在寻址的时候，是按照虚拟地址来寻址，然后通过MMU(内存管理单元)将虚拟地址转换为物理地址。因为只有程序的一部分加入到内存中，所以会出现所寻找的地址不在内存中的情况（CPU产生缺页异常），如果在内存不足的情况下，就会通过页面调度算法来将内存中的页面置换出来，然后将在外存中的页面加入到内存中，使程序继续正常运行。

可以看出，虚拟地址空间和虚拟内存的一个关键的因素是MMU（内存管理单元）。

现在一个程序的执行现在可以分为3部分：

1：CPU需要执行的语句的虚拟地址。

2：程序装入内存的部分

3：程序再外存中的部分

因为CPU是通过时间片轮转的方法使不同的程序并发执行的。所以在某一时刻只有一个程序占据CPU资源，CPU的最大的寻址空间为4G，所以说可以将每个程序可以看做独立占据4G的内存（只是可以看成，但是它并没有占据实际的4G内存）。而CPU是将虚拟地址空间里面的代码执行，如果在内存中寻找不到所需要的页面，就需要到外存中寻找，外存的这一部分，我们可以当成内存来使用，这也就是虚拟内存。虚拟地址空间不等于虚拟内存。虚拟地址空间是一个空间，不是真正存在的，只是通过CPU的寻址虚拟出来的一个范围。而虚拟内存是实实在在的硬盘的空间。

我看到了一个比较形象的比喻，假设4G个门牌号（4G的虚拟地址空间，并将这4G的虚拟空间进行分页），但是房子的数量（内存）少于门牌号的数量（4G的虚拟空间），那样就先把每个房子（内存）上挂一个门牌号（页），如果你要找一个门牌号(页)，就需要查找每个房子（内存），如果这个门牌号没有挂（页还没有被加入到内存中），那么就将一个房子的门牌号（页面置换到外存）摘下来，把你找的那个门牌号挂上（将外存的页加入内存），这样就找到了需要的门牌号（页）。

这是我将这个比喻综合了一下。CPU只需要说找哪一个页面，MMU就将这个页面翻译成物理地址，再通过页面调度机制来讲不在内存中的页加入到内存中。

我认为计算机使用的是一种各司其职的方法。

CPU老大只需要要虚拟地址中的一页，范围在0x00000000到0xFFFFFFFF，因为他的地址总线是32位，4G是他最大的能力，然后他就把任务分配给他的手下，CPU不需要知道他的手下是如何找到这一页，他只负责去要这一页和执行这些代码，然后他就和他的手下说“有招想去，没招死去”，他的手下必须要能找到这一页，然后内存非常有限，而CPU不管这个，只需要你能找到这一页让我执行就好，所以CPU的手下就将硬盘中的一部分当做内存，然后拿来骗CPU说，“这是我从内存中找到的”，然后CPU就去运行。如果访问的地方实在是不能找到，或者是没有权限，那么这个程序就真死了。程序员在开发的时候，因为程序员所编写的代码最终是要让CPU去执行，所以程序员也理所应当认为我有4G的内存空间，程序员把程序交给CPU，CPU就交给他手下。

所以说，他们每一层都不需要管对方是如何办到的，他们在乎的只有结果。他们各司其职，CPU认为我有4G内存空间的原因是因为CPU的地址总线为32位，最大的寻址能力是4G，而内存没有这个大，所以它想出来的办法是将硬盘的一部分拿来骗CPU，并给这块骗人的地方起了一个好名字，虚拟内存。这就是我的理解中的虚拟内存空间和虚拟内存的概念。

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更进一步的理解：

虚拟内存(Virtual Memory)——为了解决大进程的内存要求

在早期的操作系统曾使用覆盖(overlays)来解决这个问题，将一个程序分为多个块，基本思想是先将块0加入内存，块0执行完后，将块1加入内存。依次往复，这个解决方案最大的问题是需要程序员去程序进行分块，这是一个费时费力让人痛苦不堪的过程。

虚拟内存的基本思想是，每个进程有用独立的逻辑地址空间，内存被分为大小相等的多个块,称为页(Page).每个页都是一段连续的地址。对于进程来看,逻辑上貌似有很多内存空间，其中一部分对应物理内存上的一块(称为页框，通常页和页框大小相等)，还有一些没加载在内存中的对应在硬盘上，如图所示。

虚拟内存和物理内存以及磁盘的映射关系

由图可以看出，虚拟内存实际上可以比物理内存大。当访问虚拟内存时，会访问MMU（内存管理单元）去匹配对应的物理地址（比如图的0，1，2），而如果虚拟内存的页并不存在于物理内存中（如图的3,4），会产生缺页中断，从磁盘中取得缺的页放入内存，如果内存已满，还会根据某种算法将磁盘中的页换出。