虛擬內(nèi)存是計(jì)算機(jī)內(nèi)存管理的一種技術(shù)。它使得應(yīng)用程序認(rèn)為它擁有連續(xù)可用的內(nèi)存（一個(gè)連續(xù)完整的地址空間）而實(shí)際上，它通常被分割為多個(gè)物理內(nèi)存的碎片，還有部分暫時(shí)存儲(chǔ)在外部磁盤存儲(chǔ)器上，在需要時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。與沒有使用虛擬內(nèi)存技術(shù)的系統(tǒng)相比，使用這種技術(shù)的系統(tǒng)使得大型程序的編寫更加容易，對(duì)真正的物理內(nèi)存（例如RAM）的使用也更有效率。
注意：虛擬內(nèi)存不只是“用磁盤空間來擴(kuò)展物理內(nèi)存”的意思——這只是內(nèi)存級(jí)別以使其包含硬盤驅(qū)動(dòng)器而已。把內(nèi)存擴(kuò)展到磁盤只是使用虛擬內(nèi)存的一個(gè)結(jié)果，它的作用也可以通過覆蓋或者把處于不活動(dòng)狀態(tài)的程序以及他們的數(shù)據(jù)全部交換到磁盤上等方式來實(shí)現(xiàn)。
對(duì)虛擬內(nèi)存的定義：基于對(duì)地址空間的重定義的，即把地址空間定義為“連續(xù)的虛擬內(nèi)存地址”，以借此“欺騙”程序，使它們以為自己正在使用一大塊的“連續(xù)”地址。
虛擬內(nèi)存
Linux將物理RAM（Random Access Memory）劃分為稱為頁(yè)面的內(nèi)存塊。交換是將一頁(yè)內(nèi)存復(fù)制到硬盤上的預(yù)配置空間（稱為交換空間）以釋放改內(nèi)存頁(yè)面上的過程。物理內(nèi)存和交換空間的組合就是可用的虛擬內(nèi)存量。
進(jìn)程是與其他進(jìn)程共享CPU和內(nèi)存資源的。為了有效的管理內(nèi)存并減少出錯(cuò)，現(xiàn)代操作系統(tǒng)提供了一種對(duì)主存的抽象概念，即：虛擬內(nèi)存（Virtual Memory）。虛擬內(nèi)存為每個(gè)進(jìn)程提供一個(gè)一致的，私有的地址空間，每個(gè)進(jìn)程擁有一片連續(xù)完整的內(nèi)存空間。
正如維基百科所說，虛擬內(nèi)存不只是“使用硬盤空間來擴(kuò)展內(nèi)存”的技術(shù)。虛擬內(nèi)存的重要意義是它定義了一個(gè)連續(xù)的虛擬地址空間，使得程序編寫難度降低。并且，把內(nèi)存擴(kuò)展到硬盤空間只是使用虛擬內(nèi)存的必然結(jié)果，虛擬內(nèi)存空間會(huì)存在硬盤中，并且會(huì)被全部放入內(nèi)存中緩沖（按需），有的操作系統(tǒng)還會(huì)在內(nèi)存不夠的情況下，將一進(jìn)程的內(nèi)存全部放入硬盤空間中，并在切換到進(jìn)程時(shí)再?gòu)挠脖P讀取（這也是Windows會(huì)經(jīng)常假死的原因...）。
虛擬內(nèi)存主要提供了如下三個(gè)重要的能力：
- 把主存看作一個(gè)存儲(chǔ)在硬盤上的虛擬地址空間的高速緩存，并且只在主存中緩存活動(dòng)區(qū)域（按需緩存）。
- 為每個(gè)進(jìn)程提供了一個(gè)一致的地址空間，降低程序員對(duì)內(nèi)存的管理的復(fù)雜性。
- 保護(hù)了每個(gè)進(jìn)程的地址空間不被破壞。
2. 虛擬內(nèi)存如何運(yùn)作
2.1 CPU尋址
內(nèi)存通常被組織為一個(gè)由M個(gè)連續(xù)的字節(jié)大小的單元組成的數(shù)組。每個(gè)字節(jié)都有一個(gè)唯一的物理地址（Physical Address PA），作為到數(shù)組的索引。
CPU訪問內(nèi)存最簡(jiǎn)單直接的方法就是使用物理地址，這種尋址方式稱為物理尋址。
現(xiàn)代計(jì)算機(jī)使用的是一種被稱為虛擬尋址（Virtual Addressing）的尋址方式。使用虛擬尋址，CPU需要將虛擬地址翻譯成物理地址，這樣才能訪問到真實(shí)的物理內(nèi)存。
虛擬尋址需要硬件與操作系統(tǒng)之間相互合作。CPU中含有一個(gè)被稱為內(nèi)存管理單元（Memory Management Unit，MMU）的硬件，它的功能是將虛擬地址轉(zhuǎn)換稱為物理地址，MMU需要借助存放在內(nèi)存中的頁(yè)表來動(dòng)態(tài)翻譯虛擬地址，該頁(yè)表由操作系統(tǒng)管理。
2.2 頁(yè)表
分頁(yè)表是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它用于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)中虛擬內(nèi)存系統(tǒng)，其存儲(chǔ)了虛擬地址到物理地址之間的映射。虛擬地址在訪問進(jìn)程中是唯一的，而物理地址在硬件（比如內(nèi)存）中是唯一的。
在操作系統(tǒng)中使用虛擬內(nèi)存，每個(gè)進(jìn)程會(huì)認(rèn)為使用一塊大的連續(xù)的內(nèi)存，事實(shí)上，每個(gè)進(jìn)程的內(nèi)存散布在物理內(nèi)存的不同區(qū)域?；蛘呖赡鼙徽{(diào)出到備份存儲(chǔ)中（一般是硬盤）。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程請(qǐng)求自己的內(nèi)存，操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)把程序生成的虛擬地址，映射到實(shí)際存儲(chǔ)的物理內(nèi)存上。操作系統(tǒng)在分頁(yè)表中存儲(chǔ)虛擬地址到物理地址的映射。每個(gè)映射被稱為分頁(yè)表項(xiàng)（page table entry ,PTE）。
在一個(gè)簡(jiǎn)單的地址空間方案中，由虛擬地址尋址的頁(yè)與物理內(nèi)存中的幀之間的關(guān)系。物理內(nèi)存可以包含屬于許多進(jìn)程的頁(yè)。如果不經(jīng)常使用，或者物理內(nèi)存已滿，可以將頁(yè)面分頁(yè)到磁盤。在上圖中，并非所有頁(yè)面都在物理內(nèi)存中。
2.3 內(nèi)存管理單元
內(nèi)存管理單元
（memory management unit，MMU)，是一種負(fù)責(zé)CPU的內(nèi)存訪問請(qǐng)求的計(jì)算機(jī)硬件。通常，操作系統(tǒng)會(huì)為每個(gè)程序分配虛擬內(nèi)存空間。
2.3.1 MMU的功能
虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換（即虛擬內(nèi)存的管理）、內(nèi)存保護(hù)、CPU高速緩存的控制。
2.3.2 MMU工作機(jī)制
現(xiàn)代的內(nèi)存管理單元是以頁(yè)的方式，分割虛擬地址空間（處理器使用的地址范圍）的；頁(yè)的大小是2的n次方，通常為幾KB（字節(jié)）。地址尾部的n位（頁(yè)大小的2的次方數(shù)）作為頁(yè)內(nèi)的偏移量保持不變。其余的地址位（address）為（虛擬）頁(yè)號(hào)。
2.3.3 MMU頁(yè)表?xiàng)l目
內(nèi)存管理單元通常借助一種叫做轉(zhuǎn)譯旁觀緩沖器（Translation Lookaside Buffer，TLB）和相聯(lián)高速緩存來將虛擬頁(yè)號(hào)轉(zhuǎn)換為物理頁(yè)號(hào)。當(dāng)后備緩沖器中沒有轉(zhuǎn)換記錄時(shí)，則使用一種較慢的機(jī)制，其中包括專用硬件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或軟件輔助手段。這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)稱為分頁(yè)表，頁(yè)表中的數(shù)據(jù)叫做分頁(yè)表項(xiàng)（page table entry PTE）。物理頁(yè)號(hào)結(jié)合頁(yè)偏移量便提供了完整的物理地址。
頁(yè)表 或 轉(zhuǎn)換后備緩沖器數(shù)據(jù)項(xiàng)應(yīng)該包括的信息有：
- 臟位（頁(yè)面重寫標(biāo)志位，dirty bit），表示該頁(yè)是否被寫過；
- 訪問位（accessed bit），表示該頁(yè)最后使用于何時(shí)，以便最近最少使用頁(yè)面置換算法的實(shí)現(xiàn)；
- 哪種進(jìn)程可以讀寫該頁(yè)的信息，利用用戶模式進(jìn)程還是特權(quán)模式進(jìn)程；
- 該頁(yè)是否應(yīng)被高速緩沖的信息。
有時(shí)候，TLB和PTE會(huì)禁止對(duì)虛擬頁(yè)訪問，這可能是因?yàn)闆]有RAM與虛擬頁(yè)相關(guān)聯(lián)。如果是這種情況，MMU將向CPU發(fā)出頁(yè)錯(cuò)誤的信號(hào)，操作系統(tǒng)將進(jìn)行處理，也許會(huì)尋找RAM的空白幀，同時(shí)建立一個(gè)新的PTE將之映射到所請(qǐng)求的虛擬地址。如果沒有空閑的RAM，可能必須關(guān)閉一個(gè)已經(jīng)存在的頁(yè)面，使用一些替換算法，將之保存到磁盤中（這被稱為頁(yè)面調(diào)度）。
2.3.4 MMU優(yōu)點(diǎn)
- 內(nèi)存保護(hù)：頁(yè)錯(cuò)誤的錯(cuò)誤可能存在軟件錯(cuò)誤，進(jìn)程的MMU可以使用內(nèi)存保護(hù)特性避免非法訪問其他進(jìn)程內(nèi)存。
- 減少內(nèi)存碎片化：進(jìn)程分配并釋放內(nèi)存塊后，可能導(dǎo)致內(nèi)存碎片化。導(dǎo)致最大連續(xù)可用的內(nèi)存塊遠(yuǎn)小于要分配的內(nèi)存總量。在虛擬內(nèi)存實(shí)現(xiàn)后，虛擬內(nèi)存可以將多個(gè)不連續(xù)的物理內(nèi)存塊映射為一個(gè)連續(xù)區(qū)塊。
2.4 轉(zhuǎn)換過程
CPU的內(nèi)存管理單元（MMU）存儲(chǔ)最近用過的分頁(yè)表的映射緩存。被稱為轉(zhuǎn)移后備緩沖器（TLB），TLB是一個(gè)索引緩存。
當(dāng)需要將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址時(shí)，首先搜索TLB，如果找到匹配（TLB）命中，則返回物理地址并繼續(xù)存儲(chǔ)器訪問。然而，如果沒有匹配（稱為TLB未命中），則MMU或操作系統(tǒng)TLB未命中處理器通常會(huì)查找頁(yè)表中的地址映射以查看是否存在映射（頁(yè)面遍歷），如果存在，則將其寫回TLB（這必須完成，因?yàn)橛布ㄟ^虛擬存儲(chǔ)器系統(tǒng)中的TLB訪問存儲(chǔ)器），并且重啟錯(cuò)誤指令（這也可以并行發(fā)生）。此后續(xù)轉(zhuǎn)換找到TLB命中，并且內(nèi)存訪問將繼續(xù)。
虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換過程，如果虛擬內(nèi)存不存在與TLB，轉(zhuǎn)換會(huì)被重置并通過分頁(yè)表和硬件尋找。
2.5 轉(zhuǎn)換失敗
如果該地址沒有可用的轉(zhuǎn)換，這意味該虛擬地址的存儲(chǔ)器訪問是無效的。這通常是程序錯(cuò)誤導(dǎo)致的，操作系統(tǒng)需要處理這個(gè)問題。現(xiàn)代操作系統(tǒng)會(huì)發(fā)送一個(gè)段錯(cuò)誤信息給出錯(cuò)程序。
當(dāng)物理內(nèi)存中不存在這個(gè)頁(yè)，也會(huì)引起分頁(yè)表查找失敗。如果請(qǐng)求的頁(yè)面沒被調(diào)出物理內(nèi)存，給其他頁(yè)騰出空間，會(huì)引起這個(gè)錯(cuò)誤。這種情況下，頁(yè)被分配到存儲(chǔ)在介質(zhì)上的輔助存儲(chǔ)，例如硬盤（這種輔助存儲(chǔ)，或叫備用存儲(chǔ)，如果是一個(gè)硬盤分區(qū)或者交換文件，經(jīng)常稱之為交換分區(qū)，如果是文件，叫做分區(qū)文件或頁(yè)文件）。這時(shí)候，分頁(yè)需要從硬盤放回到物理內(nèi)存中，這類操作通常會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)抖動(dòng)的情況，通過局部性原理來預(yù)測(cè)將來可能會(huì)訪問的塊，避免出現(xiàn)系統(tǒng)抖動(dòng)。
當(dāng)物理內(nèi)存沒滿的時(shí)候，這是一個(gè)簡(jiǎn)單操作。頁(yè)被寫回物理內(nèi)存，頁(yè)表和轉(zhuǎn)換備用緩沖會(huì)更新，指令重啟。然而，當(dāng)物理內(nèi)存已滿，一個(gè)或多個(gè)頁(yè)面要被調(diào)，為請(qǐng)求的頁(yè)面騰出空間時(shí)候。頁(yè)表需要更新。標(biāo)識(shí)出那些在物理內(nèi)存被調(diào)出的頁(yè)，然后標(biāo)識(shí)那些從硬盤調(diào)用物理內(nèi)存的頁(yè)。TLB也需要更新，包括去掉調(diào)出的頁(yè)，重啟指令。
段錯(cuò)誤：存儲(chǔ)器區(qū)塊錯(cuò)誤
（Segmentation fault）也稱訪問權(quán)限沖突（access violation），是一種程序錯(cuò)誤。它出現(xiàn)在當(dāng)程序企圖訪問CPU無法定址的存儲(chǔ)器區(qū)塊時(shí)。當(dāng)發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，硬件會(huì)通知操作系統(tǒng)產(chǎn)生了存儲(chǔ)器訪問權(quán)限沖突的狀況。通常該錯(cuò)誤是由于調(diào)用一個(gè)地址，而該地址為空（NULL）導(dǎo)致的。例如鏈表中調(diào)用一個(gè)未分配地址的空鏈表單元的元素，數(shù)組訪問越界也可能產(chǎn)生這個(gè)錯(cuò)誤。
2.6 頁(yè)缺失
頁(yè)缺失（page fault）指的是當(dāng)軟件試圖訪問已映射在虛擬地址空間中，但是當(dāng)前未被加載在物理內(nèi)存中的一個(gè)分頁(yè)時(shí)，由CPU的內(nèi)存管理單元所發(fā)出的中斷。
通常情況下，用于處理此中斷的程序是操作系統(tǒng)的一部分。如果操作系統(tǒng)判斷此次訪問有效，那么操作系統(tǒng)會(huì)嘗試將相關(guān)的分頁(yè)從硬盤上的虛擬內(nèi)存文件調(diào)入內(nèi)存。而如果訪問是不被允許的，那么操作系統(tǒng)通常會(huì)結(jié)束相關(guān)的進(jìn)程。
雖然叫做“頁(yè)缺失”錯(cuò)誤，但實(shí)際上這并不一定是一種錯(cuò)誤。而且這一機(jī)制是利用虛擬內(nèi)存來增加程序可用內(nèi)存空間。
2.6.1 軟性頁(yè)缺失
軟性頁(yè)缺失指頁(yè)缺失發(fā)生時(shí)，相關(guān)的頁(yè)已經(jīng)被加載進(jìn)內(nèi)存，但是沒有向MMU注冊(cè)的情況。操作系統(tǒng)只需要在MMU中注冊(cè)相關(guān)頁(yè)對(duì)應(yīng)的物理地址即可。
發(fā)生這種情況的可能性：
- 一塊物理內(nèi)存被兩個(gè)或者多個(gè)程序共享，操作系統(tǒng)已經(jīng)為其中一個(gè)轉(zhuǎn)載并注冊(cè)了相關(guān)的頁(yè)，但是沒有為另一個(gè)程序注冊(cè)。
- 該頁(yè)已被從CPU的工作集中移除，但是尚未被交換到磁盤上。比如Open VMS使用次級(jí)頁(yè)緩存的系統(tǒng)，就有可能會(huì)在工作集過大的情況下，將某頁(yè)從工作集中刪除，但是不寫入硬盤也不擦除（比如這一頁(yè)被讀出硬盤后沒被修改過），只是放入空閑頁(yè)表。除非有其他程序需要，導(dǎo)致這一頁(yè)被分配出去，不然這一頁(yè)的內(nèi)容也不會(huì)被修改。
當(dāng)原程序再次需要該頁(yè)內(nèi)的數(shù)據(jù)時(shí)，如果這一頁(yè)確實(shí)沒有被分配出去，那么系統(tǒng)只需要重新為該頁(yè)在MMU內(nèi)注冊(cè)映射即可。
2.6.2 硬性頁(yè)缺失
與軟性頁(yè)缺失相反，硬性頁(yè)缺失是指相關(guān)的頁(yè)在頁(yè)缺失發(fā)生時(shí)未被加載進(jìn)內(nèi)存的情況。
操作系統(tǒng)需要：
- 尋找一個(gè)空閑的頁(yè)。或者把另外一個(gè)使用的頁(yè)寫到磁盤上（如果其在最后一次寫入后發(fā)生了變化的話），并注銷MMU內(nèi)的記錄；
- 將數(shù)據(jù)讀入被選定的頁(yè)；
- 向MMU注冊(cè)該頁(yè)；
硬性頁(yè)缺失導(dǎo)致的性能損失是很大的。
另外，有些操作系統(tǒng)會(huì)將程序的一部分延遲到需要使用的時(shí)候再加載入內(nèi)存執(zhí)行，以此提升性能。這一特性也是通過捕獲硬性頁(yè)缺失達(dá)到的。
當(dāng)硬性頁(yè)缺失過于頻繁發(fā)生時(shí)，稱發(fā)生系統(tǒng)顛簸。
2.6.3 無效頁(yè)缺失
當(dāng)程序訪問的虛擬地址是不存在與虛擬地址空間內(nèi)的時(shí)候，則發(fā)生無效頁(yè)缺失。一般來說這是個(gè)軟件問題，但也不排除硬件可能，比如因?yàn)閮?nèi)存故障而損壞了一個(gè)正確的指針。
具體動(dòng)作與所使用的操作系統(tǒng)有關(guān)，比如Windows會(huì)使用異常機(jī)制向程序報(bào)告，而類Unix系統(tǒng)則使用信號(hào)機(jī)制。
3. 分頁(yè)
分頁(yè)（Paging），是一種操作系統(tǒng)里存儲(chǔ)器管理的一種技術(shù)，可以使計(jì)算機(jī)的主存使用存儲(chǔ)在輔助存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)。操作系統(tǒng)會(huì)將輔助存儲(chǔ)器（通常是磁盤）中的數(shù)據(jù)分割成固定大小的區(qū)塊，稱為“頁(yè)”
（pages）。當(dāng)不需要時(shí)，當(dāng)不需要時(shí)，將分頁(yè)由主存（通常是內(nèi)存）移到輔助存儲(chǔ)器；當(dāng)需要時(shí)，再將數(shù)據(jù)取回，加載主存中。相對(duì)于分段，分頁(yè)允許存儲(chǔ)器存儲(chǔ)于不連續(xù)的區(qū)塊以維持文件系統(tǒng)的整齊。分頁(yè)是磁盤和內(nèi)存之間傳輸數(shù)據(jù)塊的最下單位。
3.1 命中和缺頁(yè)
虛擬存儲(chǔ)器系統(tǒng)中，DRAM緩存命中，稱讀取了一個(gè)地址。命中過程不需要程序再?gòu)拇疟P中緩慢讀取數(shù)據(jù)。
相對(duì)的，DRAM不命中稱為缺頁(yè)（page fault）。由于頁(yè)幀
（MMU中頁(yè)表的組成單位 分頁(yè)表項(xiàng) PTE）由有效位和物理頁(yè)號(hào)（或磁盤地址）構(gòu)成，當(dāng)有效位標(biāo)記為0時(shí)，即表明該地址未在緩存中，調(diào)用該地址會(huì)引起缺頁(yè)異常。從磁盤中拷貝需要的內(nèi)容，覆蓋內(nèi)存中的一個(gè)犧牲頁(yè)，從而能夠命中。過多缺頁(yè)會(huì)導(dǎo)致反復(fù)的磁盤讀取和寫入，非常耗費(fèi)時(shí)間。
3.2 系統(tǒng)顛簸
盡管在整個(gè)運(yùn)行過程中，程序引用不同的頁(yè)面總數(shù)（也就是虛擬內(nèi)存大?。┛赡艹隽宋锢泶鎯?chǔ)器（DRAM）總大小，但是程序常常在較小的活動(dòng)頁(yè)面上活動(dòng)，這個(gè)集合叫做工作集或者常駐集。在工作集被緩存后，對(duì)它的反復(fù)調(diào)用會(huì)使程序命中提高，從而提高性能。
大部分的程序都可以在存儲(chǔ)器獲取數(shù)據(jù)和讀取中達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，當(dāng)程序達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，存儲(chǔ)器的使用量通常都不會(huì)太大。虛擬內(nèi)存雖然可以有效率控制存儲(chǔ)器的使用，但是大量的頁(yè)缺失還是造成了系統(tǒng)遲緩的主要因素。當(dāng)工作集的大小超過物理存儲(chǔ)器大小，程序?qū)?huì)發(fā)生一種不幸的情況，這種情況稱為“顛簸”，頁(yè)面將不停的寫入、釋放、讀取，由于大量的丟失（而非命中）而損失極大性能。用戶可以增加隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的大小或是減少同時(shí)在系統(tǒng)里運(yùn)行程序的數(shù)量來降低系統(tǒng)顛簸的記錄。
3.3 系統(tǒng)調(diào)度
- 當(dāng)需要用到數(shù)據(jù)時(shí)再向系統(tǒng)請(qǐng)求，使得系統(tǒng)將數(shù)據(jù)由輔助設(shè)備傳入到存儲(chǔ)器上，這叫做“需求分頁(yè)”。使得系統(tǒng)不需要將全部的程序都放在存儲(chǔ)器上，減少了所需要的存儲(chǔ)器的數(shù)量。
- 當(dāng)系統(tǒng)查看分頁(yè)表時(shí)認(rèn)為某些數(shù)據(jù)可能需要用到，而先將數(shù)據(jù)傳到存儲(chǔ)器上的行為，就叫做“先行分頁(yè)”，當(dāng)存儲(chǔ)器夠大的話通常采取這種方式。
- Unix系統(tǒng)會(huì)定期使用sync程序來清理所有經(jīng)過變更的幀，他會(huì)將所有被變更的幀存到輔助存儲(chǔ)器（硬盤）上。windows系統(tǒng)有時(shí)也會(huì)進(jìn)行類似的操作，使得新程序打開時(shí)更加快速。
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