虚拟内存到底是什么？为什么我们在C语言中看到的地址是假的？

最新推荐文章于 2024-07-27 10:35:59 发布

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本文探讨了C语言中指针地址的虚拟内存原理。即使内存地址看似固定，实际上它们是虚拟地址，每次运行时操作系统会重新映射到物理内存。虚拟地址提供了地址空间隔离和内存管理优化，确保程序安全性和效率。这一概念是通过中间层思想实现的，屏蔽了底层硬件的复杂性。

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在C语言中，指针变量的值就是一个内存地址，&运算符的作用也是取变量的内存地址，请看下面的代码：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int a = 1, b = 255;
int main(){
int *pa = &a;
printf(“pa = %#X, &b = %#X\n”, pa, &b);
system(“pause”);
return 0;
}
在 C-Free 5.0 下运行，结果为：
pa = 0X402000, &b = 0X402004

代码中的 a、b 是全局变量，它们的内存地址在链接时就已经决定了，以后再也不能改变，该程序无论在何时运行，结果都是一样的。

那么问题来了，如果物理内存中的这两个地址被其他程序占用了怎么办，我们的程序岂不是无法运行了？

幸运的是，这些内存地址都是假的，不是真实的物理内存地址，而是虚拟地址。虚拟地址通过CPU的转换才能对应到物理地址，而且每次程序运行时，操作系统都会重新安排虚拟地址和物理地址的对应关系，哪一段物理内存空闲就使用哪一段。如下图所示：

虚拟地址
虚拟地址的整个想法是这样的：把程序给出的地址看做是一种虚拟地址（Virtual Address），然后通过某些映射的方法，将这个虚拟地址转换成实际的物理地址。这样，只要我们能够妥善地控制这个虚拟地址到物理地址的映射过程，就可以保证程序每次运行时都可以使用相同的地址。

例如，上面代码中变量 a 的地址是 0X402000，第一次运行时它对应的物理内存地址可能是 0X12ED90AA，第二次运行时可能又对应 0XED90，而我们的程序不需要关心这些，这些繁杂的内存管理工作交给操作系统处理即可。

让我们回到程序的运行本质上来。用户程序在运行时不希望介入到这些复杂的内存管理过程中，作为普通的程序，它需要的是一个简单的执行环境，有自己的内存，有自己的CPU，好像整个程序占有整个计算机而不用关心其他的程序。

除了在编程时可以使用固定的内存地