虚拟内存及其实现方式

🌐 虚拟内存 (Virtual Memory)

🔹 概念

虚拟内存是一种内存管理技术，它为每个进程提供了一个连续且独立的地址空间，使程序员认为每个进程都独占整个内存空间，即使物理内存不足时也能继续执行。

虚拟内存的核心思想：
➡️ 将程序的逻辑地址空间（用户视角）映射到物理内存（硬件视角）上。
➡️ 使用硬盘作为扩展内存，将不活跃的数据暂时存储在硬盘上，按需加载到物理内存。

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🧠 虚拟内存的优点

✅ 内存扩展：程序可使用比物理内存更大的地址空间；
✅ 内存保护：每个进程的虚拟地址空间是独立的，避免互相干扰；
✅ 内存共享：多个进程可以共享相同的代码或数据段；
✅ 加载灵活：只加载程序中需要的部分，提高内存利用率；

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⚙️ 虚拟内存的核心机制

虚拟内存的实现依赖以下机制：

1. 地址映射 (Address Mapping)
2. 分页 (Paging)
3. 分段 (Segmentation)
4. 页面置换算法 (Page Replacement Algorithm)
5. 缺页异常 (Page Fault)
6. 内存映射文件 (Memory-Mapped Files)

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📌 1. 地址映射 (Address Mapping)

• 逻辑地址 (Logical Address)：程序员编写程序时使用的内存地址；
• 物理地址 (Physical Address)：内存硬件上的实际地址；
• 页表 (Page Table)：负责将逻辑地址映射为物理地址。

➤ 地址映射流程

1. CPU 生成逻辑地址；
2. MMU (Memory Management Unit) 通过页表将逻辑地址转换为物理地址；
3. 若数据已在内存中，直接访问；否则触发缺页异常，从磁盘加载数据。

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📌 2. 分页 (Paging)

🔹 分页原理

• 将虚拟内存和物理内存都划分成固定大小的页面 (Page) 和页框 (Frame)；
• 每个页面在物理内存中都有对应的页框；
• 页表记录每个页面与页框的映射关系。

➤ 示意图

虚拟内存               物理内存
+--------+         +--------+
| Page 0  |   --->  | Frame 5 |
| Page 1  |   --->  | Frame 8 |
| Page 2  |   --->  | Frame 3 |
+--------+         +--------+

➤ 地址结构

逻辑地址 = 页号 (Page Number) + 页内偏移 (Offset)

• 页号 → 查找页表，找到对应的页框；
• 页内偏移 → 在页框中定位具体数据；

➤ 示例

• 假设每页大小为 4KB (即 2¹² 字节)，逻辑地址为 0x1234
• 页号 = 0x1 (第1页)
• 偏移 = 0x234 (页内第 0x234 处)

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📌 3. 分段 (Segmentation)

🔹 分段原理

• 将程序按功能划分成若干个段 (Segment)，如代码段、数据段、堆栈段等；
• 每个段具有独立的基址 (Base) 和限长 (Limit)；

➤ 示意图

虚拟内存               物理内存
+--------+         +--------+
| Code    |   --->  | 代码段  |
| Data    |   --->  | 数据段  |
| Stack   |   --->  | 堆栈段  |
+--------+         +--------+

➤ 地址结构

逻辑地址 = 段号 (Segment Number) + 段内偏移 (Offset)

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📌 4. 页面置换算法 (Page Replacement Algorithm)

🔹 何时触发？

当物理内存已满且需要加载新页面时，操作系统必须选择某个页面淘汰，将其替换出内存。

🔹 常见置换算法

算法名称	原理	优势	劣势
FIFO (先进先出)	淘汰最早进入内存的页面	实现简单	可能淘汰热点数据
LRU (最近最少使用)	淘汰最长时间未使用的页面	效果较好	实现较复杂
OPT (最佳置换)	淘汰未来最长时间不使用的页面	最优性能	需预知未来数据
CLOCK (时钟算法)	基于访问位 (Reference Bit) 标志是否使用过	空间开销小	可能引发抖动

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📌 5. 缺页异常 (Page Fault)

🔹 定义

当 CPU 访问的页面尚未加载到内存时，会触发缺页异常。操作系统会暂停当前进程并加载所需页面。

➤ 缺页处理流程

1. CPU 访问内存，发现页面缺失；
2. 操作系统触发缺页异常；
3. 若有空闲页框，直接加载页面；
4. 若无空闲页框，使用页面置换算法淘汰旧页面；
5. 将新页面加载到内存并更新页表；
6. 恢复进程执行。

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📌 6. 内存映射文件 (Memory-Mapped Files)

🔹 定义

内存映射文件是一种将文件内容直接映射到虚拟内存空间的技术，避免频繁的 I/O 操作，提高性能。

➤ 应用场景

✅ 数据库系统；
✅ 多个进程共享同一份数据；
✅ 大型文件的快速访问；

➤ 示例代码 (C - mmap)

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    int fd = open("data.txt", O_RDONLY);
    char* data = mmap(NULL, 4096, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd, 0);
    
    printf("文件内容：%s\n", data);

    munmap(data, 4096);
    close(fd);

    return 0;
}

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🔎 虚拟内存与物理内存的区别

特点	虚拟内存	物理内存
定义	程序运行时的逻辑地址空间	计算机的实际内存条
地址空间	每个进程独立，连续的虚拟地址	离散的物理地址
大小	通常远大于物理内存	受限于硬件配置
安全性	提供内存保护机制	无直接保护机制

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🧩 总结

✅ 分页和分段是虚拟内存的两种主要实现方式；
✅ 页表在虚拟内存中起关键作用，负责地址映射；
✅ 页面置换算法决定缺页异常时替换哪些数据；
✅ 虚拟内存提升了内存利用率、系统稳定性，是现代操作系统的重要机制；

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