2021-01-30

1、虚拟内存介绍

虚拟内存概念：

虚拟内存是一个抽象概念，它为每个进程提供了一个假象，即每个进程都在独占地使用主存。每个进程看到的内存都是一致的，称为虚拟地址空间。虚拟内存的运作需要硬件和操作系统软件之间精密复杂的交互，包括对处理器生成的每个地址的硬件翻译。基本思想是把一个进程虚拟内存的内容存储在磁盘上，然后用主存作为磁盘的高速缓存。

主存的概念：

主存是一个临时存储设备，在处理器执行程序时，用来存放程序和程序处理的数据。从物理上来说，主存是由一组动态随机存储器（DRAM）芯片组成的。从逻辑上来说，存储器是一个线性的字节数组，每个字节都有其唯一的地址（数组索引），这些地址从0开始。

虚拟内存提供了以下的三个关键能力：

它将主存看成是一个存储在磁盘上的地址空间的高速缓存，在主存中只保存活动区域，并根据需要在磁盘和主存之间来回传送数据，通过这种方式，它高效地使用了主存
它为每个进程提供一致的地址空间，从而简化了内存管理
它保护了每个进程的地址空间不被其他进程破坏

2、物理和虚拟寻址

虚拟内存主要是一种地址扩展技术，主要是建立和管理两套地址系统：物理地址和虚拟地址。由虚拟地址空间（硬盘上）装入进程，其实际执行是在物理地址空间（内存上）承载进程的执行。虚拟地址空间比物理地址空间要大的多，操作系统同时承担着管理者两套地址空间的转换。

2.1、物理寻址

主存的每个地址都是唯一的，第一个字节地址为0，接下来为2，以此类推。CPU使用这种访问方式就是物理寻址。下图所示就是CPU通过地址总线传递读取主存中4号地址开始处的内容并通过数据总线传送到CPU的寄存器中。

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当然地址总线也不是无限大的，我们通常所说的32位系统，其寻址能力是2^32 = 4 294 967 296B（4GB）也就是说内存条插的再多也没有用，地址总线只能最多访问到4GB的地址内容。

2.2、虚拟寻址

我们前面说过4GB的物理内存空间其实并不大（如果是独占的话）。这时候科学家们想到了一个很好的方法，建立虚拟寻址方式，使用一个成为MMU的地址翻译工具将虚拟地址翻译成物理地址在提供访问，如下图：

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使用虚拟寻址的时候，cpu先是生成一个虚拟地址：4100再经过地址翻译器，将4100翻译成物理地址。

我们说过虚拟地址要比物理地址大的多，为啥还要麻烦的将物理地址转成虚拟地址呢？虚拟地址的发明究竟是为了什么，我们知道对内存的访问要比硬盘的访问快10000倍，如果我们在内存中没有找到相应的内容（不命中），而需要到硬盘上找的话，我们必须要提供相对来说高效率的访问方式。这时候就创建了一个虚拟存储器，管理着磁盘，以每页的方式进行整合，每个页面的大小4kb-2mb不等，加上偏移量就成为了一个虚拟地址。比如4100，说明的就是页4编号，偏移100处的位置。这就比挨个挨个单独寻址要快的多。

2.3、地址空间

地址空间是一个非负数地址的有序集合：如果地址空间的整数是连续的，那么我们说它是一个线性地址空间。那么一个拥有虚拟寻址的CPU，也就会有一个虚拟地址空间。内存中的一个字节，就会有一个物理地址和一个虚拟地址。如果CPU有N个虚拟地址空间，那么该字节就有N个虚拟地址。