1.為什么要有虛擬內存
在早期的計算機中，是沒有虛擬內存的概念的。我們要運行一個程序，會把程序全部裝入內存，然后運行。
當運行多個程序時，經常會出現(xiàn)以下問題：
1)進程地址空間不隔離，沒有權限保護。
由于程序都是直接訪問物理內存，所以一個進程可以修改其他進程的內存數(shù)據(jù)，
甚至修改內核地址空間中的數(shù)據(jù)。
2)內存使用效率低
當內存空間不足時，要將其他程序暫時拷貝到硬盤，然后將新的程序裝入內存運行。
由于大量的數(shù)據(jù)裝入裝出，內存使用效率會十分低下。
3)程序運行的地址不確定
因為內存地址是隨機分配的，所以程序運行的地址也是不確定的。

2.虛擬地址和物理地址
對于32位系統(tǒng)，尋址指針為4字節(jié)，對應的虛擬地址空間為0-2^32，即0-4G。
對于64位系統(tǒng)，尋址指針為8字節(jié)，對應的虛擬地址空間為0-2^64，即0-16G。
要注意的是，這個地址空間是虛擬的，并非實際存在的。
Linux內核把虛擬地址空間分為兩部分：用戶進程空間，內核進程空間。
如下入所示：

在緩存原理中，換入/換出的數(shù)據(jù)以塊為最小單位。在內存管理時，頁是地址空間的最小單位。

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虛擬地址空間劃分為多個固定大小的虛擬頁(VP),物理地址空間(DRAM內存)劃分為多個固定大小的物理頁(PP),
虛擬頁和物理頁的大小是一樣的，通常為4KB。

虛擬頁和物理頁存在著以下關系：
虛擬頁和磁盤文件映射，然后緩存到物理頁。
根據(jù)是否映射，是否緩存，可以將虛擬頁的狀態(tài)分為以下三種：
1)未映射的頁
即虛擬頁沒有映射到磁盤文件
2)未緩存的頁
虛擬頁映射到了磁盤文件，但是沒有緩存到物理頁，也就是內存上。
3)緩存的頁
虛擬頁映射到了磁盤文件，并且緩存到物理頁
如下圖所示：

3.虛擬地址的工作原理
對于進程來說，使用的都是虛擬地址。每個進程維護一個單獨的頁表。何為頁表？
頁表是一種數(shù)組結構，存放著各虛擬頁的狀態(tài)，是否映射，是否緩存。

1)數(shù)組的索引號，表示虛擬頁號
2)數(shù)組的值
若為null，表示未映射的頁
若非null，第一位表示有效位，為1，表明緩存的頁；為0，表明未緩存的頁。
其余位表示緩存到的物理頁號。

頁表結構圖如下：

進程執(zhí)行時，當需要訪問虛擬地址中存放的值時，步驟如下：
1)CPU會先找到虛擬地址所在的虛擬頁(VP3)，根據(jù)頁表，找出頁表中第3條的值。
判斷有效位，為1，DRMA緩存命中，獲根據(jù)物理頁號，找到物理頁中的內容，返回。
2)若有效位為0，產生缺頁異常，調用內核缺頁異常處理程序。
它會選擇一個物理頁(如PP4)，作為犧牲頁，將該頁的內容刷新到磁盤文件。然后，把VP3映射的磁盤文件，緩存到該物理頁。
頁表中的第3條，有效位變1，同時，物理頁號表號變?yōu)镻P4。
3)缺頁異常處理完畢后，返回中斷前的指令，重新執(zhí)行，此時緩存命中，執(zhí)行1)
4)將找到的內容映射到高速緩存，CPU從高速緩存中獲取該值，結束。

4.使用虛擬地址需要注意的問題
1)磁盤和主存?zhèn)魉晚摰幕顒咏凶鲰撁嬲{度。頁面調度會引起磁盤流量，如果程序的局部性不好，會頻繁進行頁面調度，叫做“緩存顛簸”。
操作系統(tǒng)會在內存中分配一塊交換區(qū)作為緩沖區(qū)，來加速頁面的調度。
2)一級頁表占用的空間是比較大的，根據(jù)按需調度的原則，一般使用的是多級頁表，即一級頁表指向二級頁表，這樣大大壓縮了頁表的大小。

5.地址翻譯
地址翻譯指的是DRAM緩存命中時，由虛擬地址找到物理地址的過程。
該過程是完全由硬件來完成的。
1)CPU有一個專門的頁表基地址寄存器(PTBR)指向當前頁表的基地址，快速定位到該進程的頁表。
2)根據(jù)虛擬頁號，找到虛擬地址在頁表的值。
3)根據(jù)值中的物理頁號，找到物理地址。

6.Linux中的虛擬內存機制

Linux把虛擬內存劃分成區(qū)域area的集合，一個area包括連續(xù)的多個頁。
area的數(shù)據(jù)結構如下所示：
1)內核為每個進程維護了一個單獨的任務結果task_struct
2)task_struct的mm指針，指向了mm_struct，該結構描述虛擬內存的運行狀態(tài)。
3)mm_struct的pgd指針指向進程的一級頁表的基地址。
mmap指針，指向vm_area_struct鏈表。
4)vm_area_struct描述area的結構，vm_start表示area的開始位置，vm_end表示area的結束位置，vm_prot表示area內的頁的讀寫權限，vm_flags表示area內的頁面是進程私有還是共享，vm_next指向下一個area節(jié)點。

在Linux中，當發(fā)生缺頁異常時，步驟如下：
1)缺頁異常程序，檢查虛擬地址在哪個area內。
2)訪問的虛擬頁若沒有讀寫權限，則觸發(fā)一個保護異常，終止進程。
3)選擇犧牲頁，刷新到磁盤，從磁盤加載缺失的內容到物理頁，更新頁表。

7.Linux虛擬內存需要注意的問題
內存映射機制:初始化虛擬內存區(qū)域時，會把虛擬內存和磁盤文件對象對應起來。

由于內存映射機制，一個磁盤文件對象可被多個進程共享訪問，也可被多個進程私有訪問。
當共享訪問時，一個進程的對該對象的修改會顯示到其他進程。
當私有訪問時，修改時會產生保護故障，內核會拷貝這個私有對象，修改的是這個新對象，其他進程指向的是原來的對象。

fork函數(shù)是說明內存映射機制很好的例子：
fork函數(shù)會創(chuàng)建帶有獨立虛擬地址空間的新進程，內核會把當前進程的虛擬內存中數(shù)據(jù)結構復制一份給新進程。虛擬內存area包括共享區(qū)域和私有區(qū)域，新建的進程對私有區(qū)域做修改時，會觸發(fā)寫時拷貝，為新進程維護私有的虛擬地址空間。

8.虛擬地址作用總結
1)虛擬內存管理可以控制物理內存的訪問權限
訪問的虛擬頁若沒有讀寫權限，則觸發(fā)一個保護異常，終止進程。
2)虛擬內存讓每個進程有獨立的地址空間
對于私有區(qū)域來說，當不同進程對該區(qū)域做修改時，會觸發(fā)寫時拷貝，為新進程維護私有的虛擬地址空間。
3)VA到PA的映射會給分配和釋放內存帶來方便。
物理內存不連續(xù)的地址，可映射到連續(xù)的虛擬內存地址。
4)內存效率高
使用了頁面調度，不會造成大量的數(shù)據(jù)裝入裝出。