虚拟内存管理具体有哪些？-优快云博客

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✅ 一句话概括

虚拟内存管理是操作系统提供的一种将 进程虚拟地址空间和实际物理内存 分离的机制，包含 地址映射、内存分配、页表管理、换页、保护与共享 等内容。

📦 虚拟内存管理主要包括哪些内容？

我们分为 6 大核心模块：

模块	描述
① 地址空间划分	用户空间 vs 内核空间，虚拟地址布局
② 地址映射机制	页表、段页式、TLB、页目录、页表项（PDE/PTE）等
③ 页表管理	页表结构、映射维护、动态建立
④ 页面置换	页面不在内存时触发 page fault，进行换页（如 FIFO、LRU、CLOCK）
⑤ 内存分配	物理页分配（伙伴系统）、虚拟空间分配（mmap、sbrk）
⑥ 访问权限控制与共享	内存保护（读/写/执行）、共享内存、Copy-on-Write（COW）等

🔍 具体展开讲讲

① 虚拟地址空间划分

操作系统为每个进程提供独立的“虚拟地址空间”

典型的 32 位进程地址空间划分：

0x00000000 ~ 0xBFFFFFFF  用户空间（3GB）
0xC0000000 ~ 0xFFFFFFFF  内核空间（1GB）

内核隔离，用户进程无法访问内核区。

② 地址映射机制（页表 + TLB）

操作系统使用页表将虚拟地址 ↔ 物理地址进行映射
每次访问虚拟地址，会查询页表找到实际物理地址
使用 TLB（Translation Lookaside Buffer） 做页表缓存，加速查询

地址转换流程：

虚拟地址 = 页目录索引 + 页表索引 + 页内偏移
→ 页目录 → 页表 → 找物理页框

③ 页表管理

每个进程有自己的页表
页表内容包括每一页的：物理地址、权限位（P/R/W/U）、状态位（Present/Dirty/Accessed）
支持多级页表（如二级页表、四级页表）

④ 页面置换（Page Replacement）

当内存满了，需要从物理内存中“换出”某些页

常见算法：

FIFO
LRU
CLOCK
OPT（理论最优）

触发机制：Page Fault（缺页中断）

⑤ 内存分配机制

分两类：

✅ 虚拟地址空间分配（进程视角）

sbrk()：分配堆（向上增长）
mmap()：映射匿名内存或文件内存段
栈自动分配（向下增长）

✅ 物理页帧分配（系统视角）

使用 伙伴系统（Buddy Allocator）分配/合并物理页
页框回收时触发 OOM / 置换 / 缓存回收等机制

⑥ 访问控制与内存保护

每一页都有权限位（R/W/X/U）
CPU 硬件支持：不允许非法访问（页错误）
支持：
- 写时复制（COW）
- 共享内存映射
- 执行权限控制（NX Bit）

✅ 图示结构一览（逻辑视角）

             [进程的虚拟地址空间]
              ┌───────────────┐
              │ 代码段（text） │
              │ 数据段（data）│
              │ 堆（heap）     │← sbrk
              │ ...           │
              │ 栈（stack）    │← 自动分配
              └───────────────┘
                       ↓
             [地址映射 → 页表 → 物理内存]
                       ↓
             [物理页帧、分配器、换页算法]