虚拟内存简述

在远古时期，内存极小，程序也不大，程序直接装载到内存运行。但是随着程序越来越复杂，理所应当的出现了这个问题，

如果程序所需内存比可用内存大，程序该如何运行？

为了解决这个问题，当时提出了一种覆盖装入的技术，就是需要程序员自己把程序分割成若干个不相干的程序块，块与块之间分别装载运行。举个很简单的例子，程序里面有两个主要函数A和B，这两个函数之间没有相互调用关系，当需要A函数运行的时候，就把A函数对应的程序块装载到内存里，等到执行完毕，再装载别的块。

这样的操作不需要把程序全部装入，暂时解决了上面提到的问题。为什么说是暂时解决呢？注意看上面那一段的黑体字部分，这种方法需要程序员自己去理清程序之间的关系，分割程序。程序逻辑相对简单还比较ok，但是当程序更加的复杂，甚至程序代码逻辑调用，根本分不出独立的程序块时，该如何解决？

其实上面那种方法就是现代虚拟内存技术的雏形。

 

要理解虚拟内存，我们先来慢慢理清几个概念，

接下来，我们将理清这3个概念以及它们之间的关系：虚拟地址空间，物理内存空间，虚拟内存。

 

试问，当你在程序中输出一个变量的地址时，这个地址的含义是什么？

试问，你输出一个全局变量的地址，干掉程序，再启动程序，为什么这个地址没有改变？

试问，大家都知道，堆是向上增长，栈是向下增长，那栈和堆之间肯定有一大块地址，这块地址是不是浪费了？

嗯，好好思考一下～

 

不懂虚拟内存，就相当于没学过操作系统。

 

每个进程都会有一个独立的虚拟地址空间，注意，是独立的，相互不能访问的，地址空间里包含了程序运行所需要的全部东西。进程运行时，所需要的所有数据，所有代码，包括内核系统调用，运行库之类的东西，全部取自虚拟地址空间。看到这你可能有疑问了，系统内核只有一个，确定是每个进程独立拥有内核吗？是的，在虚拟空间，每个进程都是独立拥有的，进程所需要的所有东西，都会在虚拟地址空间有独立的地址。

虚拟地址空间是操作系统为每一个程序虚拟化出来的内存空间，虚拟地址空间的大小一般等于内存地址大小，程序装载执行的时候操作系统生成，程序终止的时候消失。程序执行的时候，所有的操作，都是在虚拟地址空间上完成的，物理地址空间对于程序是不可知的状态。程序跟物理地址是完全隔离的。你在程序中输出的变量地址，就是这个变量在虚拟地址空间中的地址。

使用虚拟地址空间的好处：

1.虚拟地址空间是连续的，方便程序执行。

2.各个程序都有自己的一份虚拟地址空间，能隔离各个进程，一个进程中，函数溢出，可能会影响本进程的函数堆栈，但是绝对不会影响到别的进程。

3.节省内存空间。

 

前面还有很多没有交代清楚，比如：

每个进程都有内存那么大的地址空间，内存哪够装啊？

虚拟地址空间中有大块的地方是没有用到的，明明就浪费了空间，为什么说节省内存空间？

 

现在讲一下，虚拟地址空间和物理内存的映射。

在编程中，基本的内存单位应该是字节了，也就是8bit。但是在内存管理中，这个显然太小了，现代操作系统使用页作为内存管理的基本单位，一页大小一般为4K。现在想象一下，整个虚拟地址空间被划分成很多个页，整个物理内存也被划分成很多个页。大家都知道，程序是一条语句一条语句执行的，同一小时间段内，可能程序只会用到几个页的数据，别的页处于闲置状态。事实上，别扯什么虚拟地址空间什么的，代码，数据只有在内存中才能被用到。操作系统做了虚拟地址空间和物理内存的映射，会把即将要用到的虚拟空间页放入内存，不怎么用到的页移除，这个过程进程是感知不到的。进程只跟虚拟地址空间打交道，它用的时候，操作系统准备好了，所以在这个过程对它是无感知的。

地址映射的过程大概就是这样：

程序正在执行，程序的虚拟地址空间一共有10个页，程序执行的时候，操作系统把其中123页映射到物理内存，程序用到了使用虚拟地址空间页面1的时候，使用的是虚拟地址空间的地址，操作系统就把地址映射对应的物理内存页上。再次强调，这个过程中，程序用到的地址都是虚拟地址，只不过操作系统给转换成了物理地址。

等程序把页面1用完了，现在想用页面5，操作系统就会把地址映射到物理内存页对应的5上，但是这个时候，发现内存中没有页面5，这是时候就会触发缺页中断，把一个不怎么用的页淘汰掉（淘汰算法不再赘述），把页面5加载到物理内存中。淘汰掉淘汰到哪了？数据不就丢了？没丢，只是做了个映像，放到了虚拟内存中（也就是磁盘），加载是从哪加载的？从虚拟内存中加载。

 

这个虚拟内存是个啥？

不多说，大概可以理解为，内存页的备份。

从上面的过程可以看出来，虚拟地址空间中的空间，只有用到，才会真实存在（加载到物理内存，或者扔到虚拟内存），如果没用到的话，就什么都没有。就好像一个程序，只用到了10个页，内存中加载了3个，虚拟内存中放了7个，虚拟地址空间很大，但是只有用了才会切切事实存在，比如现在申请了个地址，是第11个页上的，那么这个内存中就扔了一个页出去，把这个页撸进去，这时候，内存中3页，虚拟内存中8页。

 

emmmm，为了描述的方便，我页面是按连续的，要注意实际上的情况，比如虚拟地址空间4个G，也就是2^20 个页，只要访问到哪个页面，哪个页面就会被操作系统弄到内存里，对于程序来说，它就是拥有了所有空间。

 

好了，还有好多东西没有写，比如装载的时候动态库静态库，虚拟地址空间中内存分布模型，操作系统如何实现页面置换的，页表段表，多级映射，elf文件模型，等等

以后可能会慢慢补充，这次大概就写到这里，有什么问题欢迎找我交流