基础知识-操作系统-虚拟内存

一 概念

首先我们抛出问题-虚拟内存是什么？为什么要有虚拟内存？

虚拟内存是相对于物理内存的一种说法。那么什么是物理内存呢？顾名思义，插在主板上的内存条是多大，内存就是多大。

在CPU中，物理内存是指CPU的地址线可以直接进行寻址的内存空间大小。比如8086只有20根地址线，那么它的寻址空间就是2^20字节 = 1MB。我们就说8086能支持1MB的物理内存，即使我们安装了128MB内存条在主板上，我们也只能说，8086支持1MB的物理内存大小。同理我们现在常见的32位机器，最大支持2^32字节 = 4GB的内存空间。

而实际操作系统正在运行的一个进程，它所需的内存是可能大于内存条容量之和的。内存条是256MB，进程却要创建一个2G的数据区，那么不是所有数据都能一起加载到内存（物理内存）中，有一部分数据要放到其他介质中（比如硬盘），待进程需要访问那部分数据时，在通过调度进入物理内存。

所以虚拟内存的基本思想是：每个进程有独立的逻辑地址空间，内存被分为大小相等的多个块,称为页(Page).每个页都是一段连续的地址。对于进程来看,逻辑上貌似有很多内存空间(32位机 4GB)，其中一部分对应物理内存上的一块(称为页框，通常页和页框大小相等)，还有一些没加载在内存中的对应在硬盘上，如图

二 引出问题-什么是虚拟内存地址和物理内存地址？

那么，什么是虚拟内存地址和物理内存地址呢。假设你的计算机是32位，那么它的地址总线是32位的，也就是它可以寻址0~0xFFFFFFFF（4G）的地址空间，但如果你的计算机只有256M的物理内存0x~0x0FFFFFFF（256M），同时你的进程产生了一个不在这256M地址空间中的地址，那么计算机该如何处理呢？回答这个问题前，先说明计算机的内存分页机制。

计算机会对虚拟内存地址空间（32位为4G）分页产生页（page），对物理内存地址空间（假设256M）分页产生页帧（page frame），这个页和页帧的大小是一样大的，所以呢，在这里，虚拟内存页的个数势必要大于物理内存页帧的个数。在计算机上有一个页表（page table），就是映射虚拟内存页到物理内存页的，更确切的说是页号到页帧号的映射，而且是一对一的映射。但是问题来了，虚拟内存页的个数 > 物理内存页帧的个数，岂不是有些虚拟内存页的地址永远没有对应的物理内存地址空间？不是的，操作系统是这样处理的。操作系统有个页面失效（page fault）功能。操作系统找到一个最少使用的页帧，让他失效，并把它写入磁盘，随后把需要访问的页放到页帧中，并修改页表中的映射，这样就保证所有的页都有被调度的可能了。这就是处理虚拟内存地址到物理内存的步骤。

三 回答问题

现在来回答什么是虚拟内存地址和物理内存地址。虚拟内存地址由页号（与页表中的页号关联）和偏移量组成。页号就不必解释了，上面已经说了，页号对应映射到一个页帧。那么，说说偏移量。偏移量就是我上面说的页（或者页帧）的大小，即这个页（或者页帧）到底能存多少数据。举个例子，有一个虚拟地址它的页号是4，偏移量是20，那么他的寻址过程是这样的：首先到页表中找到页号4对应的页帧号（比如为8），如果页不在内存中，则用失效机制调入页，否则把页帧号和偏移量传给MMU（Memory Management Unit，CPU的内存管理单元）组成一个物理上真正存在的地址，接着就是访问物理内存中的数据了。总结起来说，虚拟内存地址的大小是与地址总线位数相关，物理内存地址的大小跟物理内存条的容量相关。

四 继续提出问题-虚拟地址和物理地址是如何匹配的？

虚拟内存和物理内存的匹配是通过页表实现，页表存在MMU中，页表中每个项通常为32位，即4字节。除了存储虚拟地址和页框地址之外，还会存储一些标志位，比如是否缺页，是否修改过，写保护等。可以把MMU想象成一个接收虚拟地址项，返回物理地址的方法。因为页表中每个条目是4字节，现在的32位操作系统虚拟地址空间会是2的32次方，即使每页分为4K，也需要2的20次方*4字节=4M的空间，为每个进程建立一个4M的页表并不明智。因此在页表的概念上进行推广，产生二级页表。二级页表每个对应4M的虚拟地址，而一级页表去索引这些二级页表，因此32位的系统需要1024个二级页表，虽然页表条目没有减少，但内存中可以仅仅存放需要使用的二级页表和一级页表，大大减少了内存的使用。

五 下期预告

1.刚才提到的，当内存缺页时，操作系统都干了些什么？

这就是页面置换算法（LRU, LFU）

2.当然还有分页和分段的区别？（段式存储&页式存储）

3. 当然还有最经典的，进程&线程的各个知识点