操作系统之虚拟内存
一、什么是物理内存
物理内存又称主存是计算机中重要的部件之一，物理内存其实就是插在计算机主板内存槽上的硬件设备，是CPU能直接寻址的存储空间、与CPU进行沟通的桥梁，由半导体器件制成。计算机中所有程序的运行都是在内存中进行的，因此内存的性能对计算机的影响非常大。内存(Memory)也被称为内存储器，其作用是用于暂时存放CPU中的运算数据，以及与硬盘等外部存储器交换的数据。只要计算机在运行中，CPU就会把需要运算的数据调到内存中进行运算，当运算完成后CPU再将结果传送出来，内存的运行也决定了计算机的稳定运行。物理内存的容量是固定的，但是寻址空间却取决于cpu地址线条数，如32位机，则寻址空间为2^32 = 4G，所以最大支只持4G的寻址空间，即使插了8G的内存条也只能使用4G内存。
现代操作系统为什么不让进程直接使用物理内存？
- 内存空间利用率的问题：各个进程对内存的使用会导致内存碎片化，当要用malloc分配一块很大的内存空间时，可能会出现虽然有足够多的空闲物理内存，却没有足够大的连续空闲内存这种情况，东一块西一块的内存碎片就被浪费掉了
- 读写内存的安全性问题：物理内存本身是不限制访问的，任何地址都可以读写，由于程序都是直接访问物理内存，所以恶意程序可以随意修改别的进程的内存数据，以达到破坏的目的。有些非恶意的，但是有bug的程序也可能不小心修改了其它程序的内存数据，就会导致其它程序的运行出现异常。这种情况对用户来说是无法容忍的，因为用户希望使用计算机的时候，其中一个任务失败了，至少不能影响其它的任务。
- 内存读写的效率问题：当多个进程同时运行，需要分配给进程的内存总和大于实际可用的物理内存时，需要将其他程序暂时拷贝到硬盘当中，然后将新的程序装入内存运行。由于大量的数据频繁装入装出，内存的使用效率会非常低
二、虚拟内存
虚拟内存：是计算机系统内存管理的一种技术。它使得应用程序认为它拥有连续可用的内存（一个连续完整的地址空间），而实际上，它通常是被分隔成多个物理内存碎片，还有部分暂时存储在外部磁盘存储器上，在需要时进行数据交换。现代所有用于一般应用的操作系统都对普通的应用程序使用虚拟内存技术。
为了解决上述问题，现代操作系统就是采用虚拟内存的方式使程序中访问的内存地址不再是实际的物理内存地址，而是一个虚拟地址，然后由操作系统将这个虚拟地址映射到适当的物理内存地址上。这样，只要操作系统处理好虚拟地址到物理内存地址的映射，就可以保证不同的程序最终访问的内存地址位于不同的区域，彼此没有重叠，以此达到内存地址空间隔离的效果。
三、分段
人们之所以要创建一个虚拟地址空间，目的是为了解决进程地址空间隔离的问题。但程序要想执行，必须运行在真实的内存上，所以，必须在虚拟地址与物理地址间建立一种映射关系。这样，通过映射机制，当程序访问虚拟地址空间上的某个地址值时，就相当于访问了物理地址空间中的另一个值。人们想到了一种分段(Sagmentation)的方法，它的思想是在虚拟地址空间和物理地址空间之间做一一映射。比如说虚拟地址空间中某个10M大小的空间映射到物理地址空间中某个10M大小的空间。这种思想理解起来并不难，操作系统保证不同进程的地址空间被映射到物理地址空间中不同的区域上，这样每个进程最终访问到的物理地址空间都是彼此分开的。通过这种方式，就实现了进程间的地址隔离。还是以实例说明，假设有两个进程A和B，进程A所需内存大小为10M，其虚拟地址空间分布在0x00000000到0x00A00000，进程B所需内存为100M，其虚拟地址空间分布为0x00000000到0x06400000。那么按照分段的映射方法，进程A在物理内存上映射区域为0x00100000到0x00B00000，，进程B在物理内存上映射区域为0x00C00000到0x07000000。于是进程A和进程B分别被映射到了不同的内存区间，彼此互不重叠，实现了地址隔离。从应用程序的角度看来，进程A的地址空间就是分布在0x00000000到0x00A00000，在做开发时，开发人员只需访问这段区间上的地址即可。应用程序并不关心进程A究竟被映射到物理内存的那块区域上了，所以程序的运行地址也就是相当于说是确定的了。
到这里我们发现采用分段的方法处理虚拟内存与物理内存的映射关系，解决了进程间访问物理内存的资源隔离问题，但是内存的读写效率和空间利用率的问题依然没有解决。因为此种方式是直接按照虚拟地址映射物理地址，所以内存碎片会依然存在；进程切换时依然会整个进程进程磁盘与内存的置换。然而进程在实际运行某个指令或某个指令集合时，可能不需要该进程的全部资源，只需要根据局部性原理加载资源即可，对于不需要的资源我们依然把它留在磁盘中，按照这种思想人们设计了分页的技术。
四、分页
分页的基本方法是，将地址空间分成许多的页。每页的大小由CPU决定，然后由操作系统选择页的大小。目前Inter系列的CPU支持4KB或4MB的页大小，而PC上目前都选择使用4KB。按这种选择，4GB虚拟地址空间共可以分成1048576个页，512M的物理内存可以分为131072个页。显然虚拟空间的页数要比物理空间的页数多得多。
在分段的方法中，每次程序运行时总是把程序全部装入内存，而分页的方法则有所不同。分页的思想是程序运行时用到哪页就为哪页分配内存，没用到的页暂时保留在硬盘上。当用到这些页时再在物理地址空间中为这些页分配内存，然后建立虚拟地址空间中的页和刚分配的物理内存页间的映射。分页的实质就是操作系统向进程描述了一个完整的连续的虚拟地址空间供进程使用，但是在物理内存中进程数据的存储采用离散式存储(提高内存利用率)，虚拟地址与物理内存地址的映射关系采用页表来维护。
五、页表
页表是一种特殊的数据结构，存放着各个虚拟页的状态，是否映射，是否缓存.。进程要知道哪些内存地址上的数据在物理内存上，哪些不在，还有在物理内存上的哪里，这就需要用页表来记录。页表的每一个表项分为两部分，第一部分记录此页是否在物理内存上，第二部分记录物理内存页的地址(如果在的话)。当进程访问某个虚拟地址，就会先去看页表，如果发现对应的数据不在物理内存中，则发生缺页异常。
缺页异常：进程要访问的指令或数据地址在虚拟地址空间中没有，或者没有访问权限；页面中没有建立虚拟地址与物理地址的映射关系，此时操作系统要发生缺页异常，通过缺页异常中断机制将CPU的执行权让出去，同时为该进程加载相对应的资源。
缺页异常中断：在请求分页的过程中，如果访问的页面不再内存中，会产生一次缺页中断，在外存中找到所缺的一页将其调入内存。缺页中断也是现代操作系统并发执行的一种重要手段。
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