虚拟内存

虚拟内存是计算机系统内存管理的一种技术，它使应用程序认为它拥有连续的可用的内存，而实际上它通常被分隔成多个物理内存碎片，还有部分存储在外部磁盘存储器上，在需要时进行数据交换。

程序使用的内存地址叫做虚拟内存地址，实际存在硬件的空间地址叫物理地址

进程通过虚拟地址来访问实际的物理地址


好处

可以弥补物理内存大小的不足

一定程度的提高反映速度

为每个进程提供了一致的地址空间，简化内存管理


分段

程序根据逻辑划分成若干个段，如数据段、代码段等。目的是为了能更好的满足用户的需要。

分段机制下虚拟地址由两部分组成：段选择子（包括段号和一些标识位） 和 段内偏移量

虚拟地址通过 段表 与物理地址进行映射，每一个段在段表中会对应一个段基地址，我们通过 段基地址 + 偏移量 就可以得到物理地址

缺点：内存碎片、内存交换效率低


分页

分页是把整个虚拟内存和物理内存划分为一段段固定尺寸的大小，这样一个尺寸固定的内存空间叫页。

分页机制下虚拟地址分为页号 和 页内偏移

虚拟地址 与 物理地址 之间通过页表来映射，页号作为页表的索引得到对应的物理页号，页表还会保存物理页每页所在物理内存的基地址，通过基地址 + 页内偏移 得到物理地址

在linux下，每一页大小为4KB

在32位环境下，虚拟地址空间有4GB，那么需要2^20（1M）个页，每个页表项需要4个字节，那么4GB空间的映射就需要有4MB 的内存存储页表

每个进程都是有⾃⼰的虚拟地址空间的，100 个进程的话，就需要 400MB 的内存来存储⻚表，这是⾮常⼤的内存了，但是因为程序不可能用到所有的虚拟内存，所以会存在部分页表项是空的。所以引入多级页表

将2^20个页分为1024个一级页表，一级页表的每一项对应到一个二级页表的地址，每一个二级页表又包含1024个页表项，形成二级分页。

这样4KB的一级页表就覆盖了全部虚拟地址，二级页表只在需要时创建。把二级分页推广到多级页表，页表的占用空间更少了。

多级页表的存在会降低虚拟地址和物理地址之间的转换效率，于是在CPU中加了一个专门存放程序最常访问的页表项的Cache，就是TLB（快表，页表缓存）


MMU（内存管理单元）

在CPU中，做将虚拟内存地址转换成物理地址的⼯作。

程序中使用的地址均是虚拟内存地址，都会引发MMU进行查表和地址转换操作。


段页式内存管理

段⻚式内存管理实现的⽅式：


  • 先将程序划分为多个有逻辑意义的段，也就是前⾯提到的分段机制；
  • 接着再把每个段划分为多个⻚，也就是对分段划分出来的连续空间，再划分固定⼤⼩的⻚；

段页式地址变换的数据结构是：每个程序一个段表，每个段有一张页表


此时 虚拟地址 到 物理地址 的转换需要三次内存访问：

第一次访问段表，得到页表起始地址

第二次访问页表，得到物理页号

第三次将物理页号和页内偏移结合，得到物理地址