1、虛擬內(nèi)存簡介

每個現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)都配有高速可隨機(jī)訪問存儲器，稱為主存儲器、物理內(nèi)存或者直接稱為內(nèi)存。內(nèi)存是用于存放代碼和數(shù)據(jù)的硬件，它是處理器能直接尋址的存儲空間，內(nèi)存由半導(dǎo)體器件制成，特點是存取速率快。

程序被執(zhí)行前需要先將程序放到內(nèi)存中才能被CPU處理，我們平常使用的程序，如：操作系統(tǒng)、辦公軟件、游戲軟件等，通常是安裝在硬盤等外存上，軟件需要運行時，必須把它們調(diào)入內(nèi)存中運行，才能真正被執(zhí)行。

內(nèi)存的承載實體通常是隨機(jī)存取存儲器（RAM），CPU可以直接與RAM交換數(shù)據(jù)。RAM在工作狀態(tài)下，可以隨時從任何一個指定的地址寫入（存入）或讀出（取出）信息。

高效的內(nèi)存管理系統(tǒng)是操作系統(tǒng)的重要功能之一，現(xiàn)代操作系統(tǒng)提供了一種內(nèi)存管理技術(shù)：虛擬內(nèi)存。虛擬內(nèi)存是計算機(jī)系統(tǒng)最重要的概念之一，它幾乎涉及計算機(jī)系統(tǒng)的所有層面，在硬件層面，編譯器層面，文件層面，進(jìn)程層面扮演重要角色。

虛擬內(nèi)存是操作系統(tǒng)配合硬件實現(xiàn)，它是隱藏自動地工作著，不需要程序員進(jìn)行任何干涉。虛擬內(nèi)存給予應(yīng)用程序強(qiáng)大的能力，應(yīng)用程序可以創(chuàng)建和銷毀內(nèi)存片，應(yīng)用程序可以將內(nèi)存片映射到磁盤文件中，應(yīng)用程序可以與其它進(jìn)程共享內(nèi)存。

2、物理尋址和虛擬尋址

（1）物理尋址

計算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存被組織成一個N個連續(xù)字節(jié)單元組成的數(shù)組，每個字節(jié)有且僅有一個唯一的物理地址（PA）。第一個字節(jié)的物理地址為0，接下來的一個字節(jié)的物理地址為1，再下一個字節(jié)的物理地址為2，依此類推。CPU訪問內(nèi)存最自然的方式時使用物理地址，這種訪問方式稱為物理尋址。

早期的PC使用物理尋址，目前數(shù)字信號處理器，嵌入式微控制器（單片機(jī)）任然繼續(xù)使用這種尋址方式。下圖展示了一個物理尋址的示例:

上圖示例了一條加載指令，它讀取物理地址4處開始的4字節(jié)。當(dāng)處理器執(zhí)行這條加載指令時，處理器會生成一個物理地址4，內(nèi)存總線將物理地址4傳遞到內(nèi)存的地址端口，內(nèi)存取出物理地址4處的連續(xù)4個字節(jié)數(shù)據(jù)輸出到內(nèi)存數(shù)據(jù)總線上，傳遞給處理器，處理器會將這4字節(jié)數(shù)據(jù)存放在寄存器中。

（2）虛擬尋址

物理尋址最直接，效率高，但是這種尋址方式明顯缺點：不支持運行比物理內(nèi)容量大的應(yīng)用程序；不支持編寫與機(jī)器無關(guān)的代碼，代碼需要和物理內(nèi)存配置有對應(yīng)關(guān)系?，F(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)使用的是一種稱為虛擬尋址的尋址方式。

虛擬尋址的尋址過程是：CPU通常生成一個虛擬地址（VA）來訪問主存，這個虛擬地址被加載到內(nèi)存之前，需要先轉(zhuǎn)換成物理地址（PA）,最終CPU間接的訪問了內(nèi)存的這個物理地址（PA）。將虛擬地址轉(zhuǎn)換成物理地址的過程叫做地址翻譯。CPU芯片內(nèi)部有一個叫做內(nèi)存管理單元（MMU）的專用硬件，內(nèi)存管理單元利用查詢表來動態(tài)完成地址翻譯。

下圖展示了一個物理尋址的示例：

上圖示例了一條加載指令，它讀取虛擬地址88處開始的4個字節(jié)。當(dāng)處理器執(zhí)行這條加載指令時，處理器會生成一個虛擬地址88給MMU，MMU查表得到虛擬地址88對應(yīng)的物理地址4，內(nèi)存總線將物理地址4傳遞到內(nèi)存的地址端口，內(nèi)存取出物理地址4處的連續(xù)4個字節(jié)數(shù)據(jù)輸出到內(nèi)存數(shù)據(jù)總線上，傳遞給處理器，處理器會將這4字節(jié)數(shù)據(jù)存放在寄存器中。

3、內(nèi)存管理技術(shù)發(fā)展

（1）人工操作

最早期的計算機(jī)并沒有操作系統(tǒng)，而是采用人工操作方式處理任務(wù)。程序員將用機(jī)器語言編寫好的程序和數(shù)據(jù)。通過穿孔的方式保存在紙帶上，然后將穿孔紙帶裝入到機(jī)器的輸入機(jī)，隨后通過控制臺開關(guān)啟動程序。計算器完成計算后，通過打印機(jī)輸出計算結(jié)果。操作員取走結(jié)果并卸下紙帶后，才能開始操作下一個程序（紙袋）。
紙袋識別原理：采集器是一組探針和一組對應(yīng)的探針座， 紙帶經(jīng)過探針組，有孔的地方探針會接觸導(dǎo)通，而沒孔的地方則不會導(dǎo)通，勻速拖動紙帶這樣計算機(jī)就能夠識別紙帶編碼，進(jìn)而進(jìn)行計算。

?探針有兩種類型：信號探針和同步探針。信號探針讀取的是程序代碼和數(shù)據(jù)，同步探針就是產(chǎn)生同步信號，同步信號的作用就和現(xiàn)代計算機(jī)中時鐘信號，每一個同步信號都會觸發(fā)計算機(jī)執(zhí)行一條指令。

人工操作方式的缺點非常明顯：

1、計算機(jī)的高速與手工操作的低速之間矛盾巨大，人機(jī)速度極不協(xié)調(diào)，資源浪費嚴(yán)重。

2、一個程序獨占全機(jī)，導(dǎo)致資源的利用率低。

特點：最早期的電子計算機(jī)并沒有操作系統(tǒng)，沒有內(nèi)存，也沒有內(nèi)存管理，人工操作。

（2）單道批處理機(jī)制

20世紀(jì)50年代后期，為了克服手工操作的慢速度和計算機(jī)的高速度之間的矛盾，出現(xiàn)了單道批處理系統(tǒng)，即在計算機(jī)上加載一個系統(tǒng)軟件，在系統(tǒng)軟件的控制下計算機(jī)能夠自動地、成批地處理一個或多個用戶的作業(yè)。

單道批處理系統(tǒng)的目的是減少作業(yè)間轉(zhuǎn)換時的人工操作，從而減少CPU的等待時間。批處理就是將作業(yè)按照它們的性質(zhì)分組（或分批），然后再一個接一個地提交給計算機(jī)系統(tǒng)，由計算機(jī)自動完成后再輸出結(jié)果，從而減少作業(yè)建立和結(jié)束過程中的時間浪費。這種工作模式就像是工廠里面的流水線一樣。

?單道批處理系統(tǒng)的特征是內(nèi)存中只允許存放一個作業(yè)，即當(dāng)前正在運行的作業(yè)才能駐留內(nèi)存，作業(yè)的執(zhí)行順序是先進(jìn)先出，即按順序執(zhí)行。這種模型下用戶進(jìn)程總是加載到同一個固定內(nèi)存地址上運行，用戶進(jìn)程使用的地址就是物理地址。

這種系統(tǒng)有兩個致命的缺點：1、系統(tǒng)只能運行比物理內(nèi)存容量小的應(yīng)用程序，不支持運行比物理內(nèi)存容量大的應(yīng)用程序。

2、系統(tǒng)只能運行一個應(yīng)用程序，不支持運行多個應(yīng)用程序。

接下來的計算機(jī)歷史，就是計算機(jī)先驅(qū)們一步一步克服這兩個問題的歷史。本節(jié)我們來看看計算機(jī)先驅(qū)們是怎樣征服這兩個BOOS的。

（3）多道批處理機(jī)制

由于在單道批處理系統(tǒng)中，一個作業(yè)單獨進(jìn)入內(nèi)存并獨占系統(tǒng)資源，直到運行結(jié)束后下一個作業(yè)才能進(jìn)入內(nèi)存，當(dāng)作業(yè)進(jìn)行I/O操作時，CPU只能處于等待狀態(tài)，因此CPU利用率較低。

直到20世紀(jì)60年代中期，多道程序設(shè)計技術(shù)出現(xiàn)，正式進(jìn)入多道批處理系統(tǒng)階段。 1964年，IBM生產(chǎn)了第一臺小規(guī)模集成電路計算機(jī)IBM 360，為該機(jī)開發(fā)的OS/360 操作系統(tǒng)是第一個能夠運行多道程序的批處理系統(tǒng)。

多道程序設(shè)計技術(shù)可同時把多個程序放入內(nèi)存，并允許它們交替在CPU中運行，共享系統(tǒng)中的各種硬、軟件資源。當(dāng)一道程序因I/O（輸入/輸出）請求而暫停運行時，CPU便立即轉(zhuǎn)去運行另一道程序。多道批處理不是多個程序同時運行，而是多個程序在內(nèi)存中準(zhǔn)備運行，只有當(dāng)正在運行的的那道程序因為某種原因（比如，等待輸出或輸出數(shù)據(jù)）而暫時無法繼續(xù)運行的時候，系統(tǒng)將自動地啟動另一道程序運行。

即在內(nèi)存中可同時存在若干道作業(yè)，作業(yè)執(zhí)行的次序與進(jìn)入內(nèi)存的次序無嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，因為這些作業(yè)是通過一定的作業(yè)調(diào)度算法來使用CPU的。一個作業(yè)在等待I/O處理時，CPU調(diào)度另外一個作業(yè)運行，因此CPU的利用率顯著地提高了。

由于多道程序能交替使用CPU，提高了CPU及其他系統(tǒng)資源的利用率，同時也提高了系統(tǒng)的效率。多道批處理系統(tǒng)的缺點是延長了作業(yè)的周轉(zhuǎn)時間，用戶不能進(jìn)行直接干預(yù)，缺少交互性，不利于程序的開發(fā)與調(diào)試。

多道批處理系統(tǒng)的優(yōu)點也很明顯：系統(tǒng)內(nèi)可同時容納多個作業(yè)。這些作業(yè)放在外存中，組成一個后備隊列，系統(tǒng)按一定的調(diào)度原則每次從后備作業(yè)隊列中選取一個或多個作業(yè)進(jìn)入內(nèi)存運行，運行作業(yè)結(jié)束、退出運行和后備作業(yè)進(jìn)入運行均由系統(tǒng)自動實現(xiàn)，從而在系統(tǒng)中形成一個自動轉(zhuǎn)接的、連續(xù)的作業(yè)流。

多道批處理系統(tǒng)的缺點也很明顯：在系統(tǒng)運行過程中，不允許用戶與其作業(yè)發(fā)生交互作用，即作業(yè)一旦進(jìn)入系統(tǒng)，用戶就不能直接干預(yù)其作業(yè)的運行。

（4）覆蓋機(jī)制

多道批處理系統(tǒng)解決了運行多個應(yīng)用程序的問題，但是系統(tǒng)仍然不支持運行比物理內(nèi)容量大的應(yīng)用程序，這種限制產(chǎn)生了一種覆蓋機(jī)制。覆蓋機(jī)制通過覆蓋應(yīng)用程序不再需要的地址空間，來達(dá)到重用內(nèi)存的目的。例如，一旦系統(tǒng)加載完成并開始運行，系統(tǒng)初始化的代碼內(nèi)存就可以回收給程序使用，這種軟件覆蓋機(jī)制需要應(yīng)用程序開發(fā)人員做額外的編程操作。覆蓋技術(shù)釋放了無用代碼空間，讓可用的內(nèi)存空間變大。

覆蓋技術(shù)通俗的講就是將程序分為多個段，經(jīng)常會被執(zhí)行的段就放在固定區(qū)，調(diào)入后除非運行結(jié)束，否則是不會被調(diào)出的。而不常用則放在覆蓋區(qū)，只有要用到的時候才能載入內(nèi)存，否則就會被調(diào)出被其它程序覆蓋。

如下圖所示，假如我們有一個程序A，8k的main經(jīng)常會被執(zhí)行，那么內(nèi)存就會為其分配一個8k的固定區(qū)。而對于B、C這兩個指揮被A段偶爾調(diào)用的地方，內(nèi)存就會取這兩個段的最大值也就是10k的空間作為這兩段的覆蓋區(qū)。DEF同理?？梢钥闯龈采w技術(shù)僅用30k的內(nèi)存空間，解決了52k的程序加載到內(nèi)存的問題。

（5）交換機(jī)制

內(nèi)存同時容納少數(shù)幾個進(jìn)程，每個進(jìn)程被加載到一個連續(xù)的物理內(nèi)存中，系統(tǒng)為內(nèi)存中的這些進(jìn)程提供分時服務(wù)。如果要運行其它進(jìn)程，系統(tǒng)就需要選擇內(nèi)存中的一個進(jìn)程交換出去，系統(tǒng)會把選中的進(jìn)程復(fù)制到磁盤上的特定交換分區(qū)中。然后將需要運行的其它程序加載到內(nèi)存中運行。

交換一個進(jìn)程時，操作系統(tǒng)會保證交換的內(nèi)存大小，保存進(jìn)程時，不僅僅是保存進(jìn)程的數(shù)據(jù)，同時還會保存處理器的運行狀態(tài)，當(dāng)被保存進(jìn)程得到恢復(fù)時，進(jìn)程將會從被暫停的位置繼續(xù)執(zhí)行。

交換機(jī)制，使得物理內(nèi)存容量“變大”，系統(tǒng)可使用的內(nèi)存就可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于物理內(nèi)存的容量。

內(nèi)存變得更大更強(qiáng)。

（6）按需分頁機(jī)制

按需分頁機(jī)制需要由操作系統(tǒng)和分頁硬件共同完成。在按需分頁系統(tǒng)里，物理內(nèi)存和進(jìn)程的地址空間都被劃分成固定大小的頁，數(shù)據(jù)以頁為單位加載和釋放出內(nèi)存。物理內(nèi)存中的頁通常稱為頁框或者物理頁。
在任意時刻內(nèi)存中可以活動多個進(jìn)程，但是每個進(jìn)程可能只有部分頁在物理內(nèi)存中，進(jìn)程的地址是虛擬的，虛擬的地址包含頁號和頁內(nèi)偏移。在操作系統(tǒng)和硬件的配合下，程序的虛擬地址被轉(zhuǎn)換成物理地址，并訪問對應(yīng)的物理內(nèi)存。在按需分頁機(jī)制中，所有頁都是在需要的時候才加載到內(nèi)存中。

（7）虛擬內(nèi)存機(jī)制

內(nèi)存虛擬技術(shù)并非單一的新技術(shù)，而是結(jié)合多種技術(shù)形成的技術(shù)。內(nèi)存虛擬使用的虛擬地址技術(shù)，分頁機(jī)制，交換機(jī)制。
虛擬內(nèi)存機(jī)制是一種綜合的內(nèi)存管理技術(shù)。

4、虛擬內(nèi)存解決問題

虛擬內(nèi)存是計算機(jī)系統(tǒng)最重要的部分之一，虛擬內(nèi)存可以實現(xiàn)以下功能：

1、運行比物理內(nèi)存容量大的程序。如64位計算機(jī)系統(tǒng)有256T的虛擬內(nèi)存，理論上可以運行約256T大小的程序，而當(dāng)今主流的64位計算機(jī)的物理內(nèi)存大小約4G。因此使用虛擬內(nèi)存理想情況下可以運行任意大小的程序。
2、程序運行時只需要加載部分。因為虛擬內(nèi)存使用了分頁機(jī)制，程序被分割成了多段，降低了程序啟動時間，降低了物理內(nèi)存使用率。
3、支持多個程序同時在內(nèi)存中運行。每個程序只有部分段在物理內(nèi)存中，使得物理內(nèi)存能同時容納多個程序。
4、支持代碼與機(jī)器無關(guān)，代碼和物理內(nèi)存不需要有對應(yīng)關(guān)系。
5、支持重定位的程序，重定位程序可以存儲在內(nèi)存中的任何位置，并且位置可以在執(zhí)行時改變。
6、支持內(nèi)存共享。
7、不需要應(yīng)用程序的程序員直接參與物理內(nèi)存的分配和管理

5、虛擬內(nèi)存模型

虛擬內(nèi)存是硬件異常，硬件地址翻譯器，主存，磁盤，內(nèi)核軟件共同協(xié)作實現(xiàn)。