内存与地址

物理地址和物理内存

物理内存不需要我多解释，无非是真实的可见的物理存储器件，就像下面所画的一样，硬件电路通过总线能够依次查找到对应存储单元的值，物理上是高低电位，对应0/1表示。

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|   |   |   |   |   |   |   |   |   A
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|   |   |   |   |   |   |   |   |   B
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|   |   |   |   |   |   |   |   |   C
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|   |   |   |   |   |   |   |   |   D
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  1   2   3   4   5   6   7   8

比方这里A2就是第一排第二个存储单元，那么A2就是它的物理地址。假如现在你的电脑上插了1 个8GB的内存条，对应的就有8GB，也就是8589934592个内存单元。再假如现在你的电脑是32位的系统，那么cpu能寻找到每一个内存单元吗？如果能寻找到，那么对于32位操作系统最大的寻址能力是多少呢？对于64位的系统来说呢？这个问题下面解答。

二、内存寻址

假定没有内存管理单元(MMU)的支持下，对于32位操作系统而言，你给到CPU的地址是32位的，也就是一个long型的数据，所以最大的寻址能力就是2^32，也就是4 GB。所以，对于32位系统而言，你插个8 GB内存是有一半的空间，系统是没法寻找到的，等于浪费。而对于64位系统来说，寻址能力理论上可以达到2^64，但是，处理器所支持的RAM大小地址总线上的管脚限制，早期的Intel处理器只能支持4 GB寻址，从奔腾pro开始才出现了物理地址扩展的机制来支持更大内存空间，所以如果没有这个机制，或者这个机制被关闭，对于手机来说经常如此，那么内存寻址仍然只有4 GB。

但是，现代计算机都是会存在MMU的，这是一个硬件电路，能够将一个逻辑地址转换成一个线性地址，也就是虚拟地址。

三、逻辑地址和线性地址（虚拟地址）

逻辑地址，就是指机器语言指令中用来指定一个操作数或一条指令的地址，由一个段(segment)和偏移量(offset)组成，说地直白点就是CPU拿到的地址。

线性地址，也叫虚拟地址，就是题主所问的虚拟地址。值得注意的是这个地址就是一个32位无符号的整型数，所以虚拟地址空间总共就是4 GB大小。

系统中的每个进程所使用的地址就是线性地址或者说虚拟地址，而不是什么逻辑地址，更不是物理地址，所以对每个独立的进程来说，线性空间大小是4 GB是没有错的，且其中0-1GB的地址空间给予内核访问，其它3GB由每个进程自己访问。

那是不是说一个进程就只能访问4GB的物理内存大小呢？答案是否定的，具体访问到哪个物理地址要看MMU将线性地址转换后的物理地址才能知道，所以有可能两个进程的地址同时访问同一个物理地址，这在物理地址很小的情况下是经常会发生的事情。当然，同一时刻，一个物理内存单元只可能由某个进程来访问，至于具体原理，这个MMU来实现的，这里不细讲。

四、地址转换

有了MMU，CPU拿到的逻辑地址就可以经过它来找到对应的物理地址了。

MMU有两个硬件电路单元，一个称之为分段单元(segmentation unit)、一个称之为分页单元(paging unit)，下面是它的工作原理：

                   ---------------                        --------------
逻辑地址   ---->   |  分段单元   |  ----> 线性地址  ----> |  分页单元  |  ---->  物理地址
                   ---------------                        --------------

所以，如果系统、CPU、MMU和内存坐在一起，那肯定会发生下面的对话:

 

系统：CPU我给你个逻辑地址0xff84ed43，你去找到这个人

CPU： 好的系统，我去问问MMU。 MMU，我这里有个地址0xff84ed43，你帮忙找一下

MMU： 好的，请求分段单元，这个地址你先找到他家所在街道的地址

分段单元：报告，已经找到了他家所在的街道地址，地址是0x56ac21fe

MMU：好的，请求分页单元，这个是他家的街道地址，你找到他家住几号。

分页单元：报告，已经找到了，他家具体地址是0x12345678

CPU：谢谢，我这就去找他

 

虚拟内存（虚拟地址空间是不等于虚拟内存的）

虚拟内存是一种逻辑上扩充物理内存的技术。基本思想是用软、硬件技术把内存与外存这两级存储器当做一级存储器来用。虚拟内存技术的实现利用了自动覆盖和交换技术。简单的说就是将硬盘的一部分作为内存来使用。

摘录：https://blog.youkuaiyun.com/u014379540/article/details/52263114

https://www.zhihu.com/question/290504400/answer/485124116