虚拟内存【计算机操作系统】

1.页和页表

操作系统将虚拟内存分块，每一个小块称为一个页；真实内存也需要分块，每一个小块称为帧。页到帧的映射，需要一种结构叫做页表。

页表维护了虚拟地址到真实地址的映射。每次程序使用时，需要把虚拟内存地址换算成物理内存地址，过程为：

1. 通过虚拟地址计算出页编号；
2. 查页表，根据页编号，找到帧编号；
3. 将虚拟地址换算成物理地址。
   举例：如果页大小是 4K，假设程序要访问地址：100,000。那么计算过程如下。
4. 页编号（Page Number） = 100,000/4096 = 24 余1619。 24 是页编号，1619 是地址偏移量（Offset）。
5. 查询页表，得到 24 关联的 Frame 编号（假设查到 Frame 编号 = 10）。
6. 换算：通常 Frame 和 Page 大小相等，替换 Page Number 为 Frame Number 物理地址 = 4096 * 10 + 1619 = 42579。

2.为什么要有虚拟内存

没有虚拟地址空间的时候，程序就只能直接访问和操作物理内存了。

但是这样会出现一些问题：

• 用户程序可以访问任意内存，寻址内存的每个字节，这样就很容易破坏操作系统，造成操作系统崩溃。
• 想要同时运行多个程序特别困难，可能会造成内存地址覆盖的问题。
  总结：如果直接把物理地址暴露出来的话会带来严重问题，比如可能对操作系统造成伤害以及给同时运行多个程序造成困难。
  所以，就需要有虚拟内存了。
  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。
  程序在访问相同虚拟地址的时候，由操作系统转换成不同的物理地址，这样不同的进程运行的时候，写入的是不同的物理地址，这样就不会冲突了。
• 程序所使用的内存地址叫做虚拟内存地址。
• 实际存在硬盘里面的空间地址叫做物理内存地址。

操作系统引入了虚拟内存，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，然后再通过物理地址访问内存。

3.内存分段和内存分页

1、内存分段

分段是为了满足程序员在编写代码的时候的一些逻辑需求（比如数据共享，数据保护，动态链接等）。

根据程序的逻辑需求，将内存划分为若干段，每段对应一个功能单元(代码段、数据段、堆栈段等)。

逻辑地址由段号和段内偏移两部分组成。

由于分段管理中，每个段内是连续内存分配，但是段和段之间是离散分配的，因此也存在一个逻辑地址到物理地址的映射关系，相应的就是段表机制。通过段表讲逻辑地址映射到物理地址，段表记录了每段的起始地址和长度。访问内存时，利用段号查找段表，获取基地址，再加上段内偏移计算出物理地址。

2、内存分页

把内存空间划分为大小相等且固定的块，作为主存的基本单位。因为程序数据存储在不同的页面中，而页面又离散的分布在内存中，因此需要一个页表来记录映射关系，已实现从页号到物理块号的映射。

访问分页系统中内存数据需要两次的内存访问，首先，虚拟地址中的页号查页表，页表存储在主存中，因此需要一次内存访问；然后，得到的物理页框号和页内偏移组合成物理地址，在通过该地址访问主存中的数据。