虚拟内存的作用及实现原理

什么是虚拟地址？

我们实际用到的物理地址就是主存，但是物理主存空间有限，所以一般现代操作系统都会想办法把一部分内存块放到磁盘中，用到的时候再装入主存，但是对用户程序而言，是不需要注意实际的物理内存的，为什么呢？因为有虚拟内存的机制。

让操作系统为每个进程都分配一个虚拟地址，互不干涉。这样每个进程都不能访问物理地址，而是通过访问虚拟地址去映射到物理地址

操作系统会提供一种机制，将不同进程的虚拟地址和不同内存的物理地址映射起来。

一个进程最终要访问到哪个物理内存，由操作系统来管理

这里也引入两个概念

• 我们程序所使用的内存地址叫做虚拟内存地址
• 实际存在硬件里面的空间地址叫物理内存地址

进程持有的虚拟地址会通过CPU芯片中的内存管理单元（MMU）的映射关系来转换变成物理地址，然后在通过物理地址去访问内存

那操作系统怎么处理两者关系呢？引入了 内存分段和内存分页

内存分段

程序就是由若干个逻辑分段组成的，如可由代码分段、数据分段、栈段、堆段组成。不同的段是有不同的属性的，所以就用分段的形式把这些段分离出来

• 段选择子就保存在段寄存器里面。段选择子里面最重要的是段号，用作段表的索引。段表里面保存的是这个段的基地址、段的界限和特权等级等。
• 虚拟地址中的段内偏移量应该位于 0 和段界限之间，如果段内偏移量是合法的，就将段基地址加上段内偏移量得到物理内存地址。

我们知道分段的方法后，我们可以引入一个实例看一下：

先找到段基地址，然后加上偏移量。就可以正确的对应到物理内存中的地址了

这就是内存分段的方法，但是内存分段有缺点吗？

• 会产生 内存碎片 的问题
• 会产生 内存交换的效率低 的问题

探讨一下内存碎片问题

内存碎片分为 内部内存碎片和外部内存碎片：

• 内部内存碎片：已分配但是未使用的内存。就比如分配了8kb，但是程序只需要用6kb，空闲了2kb
• 外部内存碎片 ：系统中存在的未分配未使用的内存。就比如需要6kb的，但是只有2kb，4kb，5kb的空闲块，虽然总内存是够得，但是因为不连续仍然没法使用

那内存分段会出现内存碎片吗？

内存分段管理会根据实际需求分配内存，所以不会产生内部内存碎片

但是因为每个段长度不固定，多个段未必能恰好使用所有空间，所以会出现外部内存碎片

探讨一下，内存交换效率低问题

因为上面说的容易产生外部内存碎片，那产生这种问题后，不得不进行Swap内存区域，这个过程就会产生性能瓶颈了

Swag是一种辅助内存管理机制，用于扩展系统的可用内存容量。当物理内存不足以满足进程需求时，会将不常用的内存页临时移动到swag区域，以释放足够的武林内存给当前需要的进程。因为swag位于磁盘上，所以读取速度远低于内存。

所以，如果内存交换的时候，交换的是一个占内存空间很大的程序，这样整个机器都会显得卡顿。

针对这两个问题，又引入了内存分页机制

内存分页

要解决上述问题，关键在于减少内存碎片的出现。

采用内存分页，将整个虚拟和物理内存空间切成一段段固定尺寸的大小。

分页具体是怎么解决问题的？

内存分页由于内存空间都是预先划分好的，也就不会像内存分段一样，在段与段之间会产生间隙非常小的内存，这正是分段会产生外部内存碎片的原因。而采用了分页，页与页之间是紧密排列的，所以不会有外部碎片。

但是，因为内存分页机制分配内存的最小单位是一页，即使程序不足一页大小，我们最少只能分配一个页，所以页内会出现内存浪费，所以针对内存分页机制会有内部内存碎片的现象。

如果内存空间不够，操作系统会把其他正在运行的进程中的「最近没被使用」的内存页面给释放掉，也就是暂时写在硬盘上，称为换出（Swap Out）。一旦需要的时候，再加载进来，称为换入（Swap In）。所以，一次性写入磁盘的也只有少数的一个页或者几个页，不会花太多时间，内存交换的效率就相对比较高。

而且，我们在加载程序的时候，不需要把程序都加载到物理内存中。我们可以都缓冲在虚拟内存中，当真正需要用到的时候，在加载到物理内存中

多级页表

如果使用单一的页面会造成 页表占用特别大的内存空间。

首先我们要知道：页表必须要涵盖所有虚拟地址空间，不然如何虚拟地址在页表中找不到对应的页表项的时候，计算机系统就会停止工作了。

所以我们可以引入多级页面。

以两级页表为例子，第一级页表可以用来存储二级页表的目录，而第二级页表再用来存储实际的数据。

TLB

多级页表虽然解决了空间上的问题，但是由于虚拟地址到空间地址中间多道转换工序，也带来了时间上的开销

为了解决时间问题，在CPU芯片中，加入了一个专放程序最常访问的页表项的Cache，这个Cache就是TLB，通常被称为页表缓存、快表等。

这样以后CPU在寻址的时候，会先查看TLB，如果没查到，在去进行常规的页表检查

分页机制下，虚拟地址和物理地址之间如何映射的？

虚拟地址分为页号和页内偏移量，根据页号去页表中寻找对应的物理页号，拿到物理页号后加上前面上偏移量，就找到了物理内存

这种简单的分页会造成空间上的缺陷。页表会占用大量内存

段页式内存管理

将内存分段和内存分页组合起来使用，通常就被称为 段页式内存管理

• 先将程序划分为多个有逻辑意义的段，也就是前面提到的分段机制
• 接着再把每个段划分为多个页，也就是对分段划分出来的连续空间，再划分固定大小的页

这样，地址结构就由段号、段内页号和页内位移三部分组成。

那这访问到物理地址的过程是如何的呢？

• 先访问段表，得到页面起始地址
• 接着访问页面，得到物理页号
• 最后将物理页号与页内位移组合，得到了物理地址