虚拟内存介绍及MMU工作原理（一）

在linux，包括很多操作系统中，虚拟内存的概念十分重要。在使用windows的过程中，我们经常会遇到“虚拟内存不足”的提示，linux中有个所谓的swap分区，包括linux和uClinux的最大区别，就是有没有MMU。那么，究竟什么是虚拟内存？什么是MMU？他们的作用分别是什么？今天的这篇文章就来普及一下这个问题。

这篇文章主要参考了以下两个网页：

http://tldp.org/LDP/tlk/mm/memory.html

http://blog.csdn.net/xie376450483/article/details/5728772

一、什么是虚拟内存

在我们嵌入式的编程（以PIC为例）中，我们是没有虚拟内存的概念的，我们现在使用的PIC24FJ64GA002的片子，RAM和ROM都只有几K而已，也没有所谓的虚拟内存。

但是，当我们需要运行一个很大的程序的时候，尤其是这个游戏需要很牛X的图形界面的时候，内存肯定会消耗很大。比如大家常玩的魔兽争霸，有没有想过，这样一个准3D的程序，能够在256M内存的电脑上运行，好牛X啊。

其实，很多程序用到了非常大的内存（至少远远大于我们物理上实际的内存），包括linux中，每个进程都有3G的独立地址空间（而不是4G，感谢邢大天同学纠正我的理解错误）。那么，物理上既然没有这么多内存，我们就需要虚拟出一部分内存来——这部分虚拟的内存不是在RAM中，而是在你的外部存储器上（比如ROM，硬盘等等）。虚拟出来的这些东东，就叫做虚拟内存。

举个例子。如果我们使用的是32位的CPU，那么按道理来说，最大的能够访问的地址空间就是2的32次方，也就是 0~0xFFFFFFFF (4G)。换句话说，理论上，一个程序能够访问这么大的空间。电脑上的CPU很多是32位的，但是我们电脑的内存一般都是1-2G。多出来的那些内存怎么办？没错，这就要用到虚拟内存。

当然，事实并没有上面说的这么简单。并不是说，电脑的物理内存不够用，就把磁盘中划出一部分来当做虚拟内存——事实上，每个进程在运行的时候，都有3G的独立地址空间，这个地址空间都叫做虚拟内存。然而，虚拟内存的一部分，可以位于真正的RAM中；另一部分，可以位于外部磁盘，或者外部FLASH中。

那么，如何让0-3G的空间一部分在RAM中，一部分在其他地方呢？

二、虚拟内存运作的流程

再来看这样一个例子：大家都知道，linux中，每个进程能够分配到3G的独立内存空间。（事实上，0-3G为用户的进程空间，3G到4G是内核空间）。那么，假如我运行了一个程序，里面用到了1G的内存空间，而我板子上只有256M的RAM，操作系统会这样做：

首先，把实际的物理内存（256M）按照每4K为一个单元标号，每一个单元称为“页”。同时，把0-3G的虚拟内存也按照每4K为一个单元（页）标号。

其次，需要介绍一个规律：科学家们发现，在汇编语言的级别，如果一个地方的数据被用到，那么该数据附近的数据在接下来被用到的概率就很大；同时，如果一个地方的命令被执行，那么该命令附近的命令在接下来被执行的概率也比较大。

第三，有一个专门的数据结构来管理一种对应关系：某一页的虚拟内存可能要被用到，那么就需要找寻到该页在真正内存中的页码。该数据结构就是用来存放虚拟内存-物理内存的页的对应关系的，称为Page Tables（页表）。

那么现在的过程就是如下图：

当我的某个进程（X）开始运行的时候，首先访问图中VPFN0指向的数据。通过页表，发现该部分的虚拟内存实际上是位于PFN0区域（物理内存的开始）。那么，程序实际上访问的就是物理内存的PFN0区域。程序继续执行，需要访问VPFN3地方的数据，根据页表这个数据结构，对应的是PFN4的物理区域，于是就对PFN4进行操作。

同时，当另外一个进程（Y）开始运行的时候，首先访问VPFN1指向的数据。通过页表，发现对应物理内存中PFN4的数据。随后访问到VPFN6中的数据，根据页表，对应PFN2区域。

由此，我们也可以得出一个结论：物理内存的地址，和虚拟内存的地址实际上没什么关系。

另外一个结论是，不同的进程可能会被分配同一个物理内存（这就是传说中的共享内存，这样两个进程之间就能够通信了）

第三个结论是，不同的进程的虚拟内存，其对应的物理内存实际上没有多大关系。

三、虚拟内存流程中的问题

如果事情都像刚刚说的这么顺利，我们的工作似乎都完成了。遗憾的是，事实往往没有这么美好。最根本的一个问题是：物理内存就256M，而虚拟内存有3G。多出来的内存，怎么办？

这个问题的答案很长，今天的帖子先做一些提示，具体的机制下个周再发个帖子详细说明。

问题一，多出来的内存都是放在哪里？以什么样的形式来存在？

问题二、系统如何判断内存中的数据，哪些应该位于物理内存中，哪些应该位于外部存储器中（标准是什么）？如何将数据从物理内存中转移到外部存储器中？

问题三、如果程序用到了虚拟内存中的某些数据，这些数据没有在物理内存中，而是在外部存储器中，应该怎么办（如何知道数据位于哪里，并且如何读入数据）？