【读书笔记】虚拟地址的概念？分页分段的概念

一、虚拟地址概念由来

早期计算机中，程序直接运行在物理内存，也就是说，程序在运行时所访问的地址都是物理地址。那么如果一台计算机只运行一个程序，只要这个程序要求的物理内存空间不超过物理内存的大小，就不会出问题。

但是！为了高效利用硬件资源（CPU、内存、IO设备），计算机一定要同时运行多个程序，那么多个程序直接运行在物理内存上，可能会出现不可描述的未知错误，比如：“如何将计算机有限的内存分配给多个程序”就是一个大问题。

举例：

假设某台计算机有128MB的内存，程序a运行需要10MB,b需要100MB，c需要20MB。同时运行a，b，比较直接的做法是将内存的前10MB给a程序，10MB~110MB给b。这样的话，就会出现问题。

1.地址空间不隔离

abc直接访问物理地址，程序所使用的内存空间不隔离。那么恶意程序就可以改写其他程序的内存数据，以达到破幻目的。或者程序不小心修改额其他程序的数据，会导致其他程序崩溃。

2.内存使用率低

由于没有内存管理机制，通常需要一个程序执行时，监控程序就将整个程序装入内存中然后开始执行。如果我们忽然要运行c程序，内存不够了，这时可以用交换分区解决：将其他程序写入磁盘空出内存，再运行c，c运行完再将磁盘中数据。大量的数据换入换出，导致效率低下。

3.程序运行时的地址不确定

程序每次需要装入运行时，需要给它从内存中分配一块足够大的空闲区域，这个空闲区域的位置不确定。这就带来了问题。

因为程序编写时，它访问数据和指令跳转时的目标地址很多是固定的，这就涉及到重定位问题。

 

  为了解决这几个问题，思路就是：增加中间层，使用一种间接的地址访问方法。把程序给出的地址看作是一个虚拟地址，然后通过某些映射的方法，将虚拟地址转化为实际的物理地址。这样只需要控制好这个虚拟地址到物理地址的映射过程，就可以保证任意一个程序所访问的物理地址内存区域 和 另一个程序 互相不重叠，就达到地址空间隔离的效果。

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说回到我们现在的计算机，我们知道每个进程都有4G的虚拟地址空间？

怎么来的呢？

是因为在32位的机器中（32位说的是CPU硬件），有32根计算机地址线，那么物理地址就有4GB，那如果内存只有1G呢？

只是说有效的物理地址空间是1G，其他的是无效的存在。

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要把虚拟地址空间映射到物理地址（装载的概念）就要涉及到分段、分页的概念了。

这一部分就是操作系统要去做的事情了，涉及到页映射，页装载，及其映射的算法：FIFO先进先出、LUR最少使用......

 

二、分段和分页（可参考https://blog.youkuaiyun.com/QX_a11/article/details/89338810）

1.分段什么意思？

把程序所需大小的虚拟空间 映射到 物理地址上。

举例：

程序a需要10MB的内存空间，我们现在有a程序的虚拟空间，地址从0x00000000到0x00A00000 （大小10MB），然后从物理内存上划分出一个10MB的物理地址，假设是0x00100000到0x00B00000，然后把这两个10MB的虚拟空间和物理空间 一一映射（虚拟空间中的每个字节对应到物理内存空间上）。

结果：分段解决的地址隔离问题和运行时地址不确定的问题，但是解决不了效率低下（如果内存不足，就要换进换出）。怎么办？分页...

2.分页：

基本方法：把地址空间等份分成固定大小，每一页的大小由硬件决定，目前绝大多数PC中，设定为为每页4KB。

把进程的地址空间按页分割，把常用的数据和代码装载到内存中，把不常用的代码和数据保存在磁盘中，当需要用到时再把磁盘中的页取出来。

 如图有两个进程：进程1和进程2，每个进程分割成8个页，中间的物理内存只能分割成6个页（硬件大小决定）；

进程1的0、1、7号页分别映射到物理内存上的0、2、3号页，有的部分页在磁盘上，有的页没有被访问到。

虚拟空间中的页叫做虚拟页，物理内存上的页叫做物理页。图中的带箭头的线就是映射关系。

虚拟存储的实现需要依靠硬件的支持，几乎所有的CPU都采用MMU的部件来进行映射，，如下图：

 页映射模式下，CPU发出虚拟地址，经过MMU转换以后变成物理地址。

 

关于MMU：Memory Management Unit的缩写，中文名是内存管理单元，它是中央处理器（CPU）中用来管理虚拟存储器、物理存储器的控制线路，同时也负责虚拟地址映射为物理地址，以及提供硬件机制的内存访问授权，多用户多进程操作系统。