1. 為什么要用虛擬內(nèi)存
總所周知，從做系統(tǒng)的主要作用是對計(jì)算機(jī)資源的管理以及程序調(diào)度，者其中就包括對內(nèi)存的管理?，F(xiàn)在很多的系統(tǒng)都是用虛擬內(nèi)存技術(shù)來對內(nèi)存的管理，所謂虛擬內(nèi)存，就是一種讓應(yīng)用程序覺得它擁有一個(gè)很大的內(nèi)存可以使用，例如對于一個(gè)64位的操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)會給應(yīng)用程序制造一種它可以有2^64Bytes那么大的內(nèi)存可以使用的假象，雖然實(shí)際情況可能是這個(gè)電腦上只有4G的內(nèi)存。
對于一個(gè)多任務(wù)操作系統(tǒng)，如果不適用虛擬內(nèi)存，計(jì)算機(jī)所擁有的那點(diǎn)內(nèi)存顯然不夠分，雖然我們可以選擇增加物理內(nèi)存的方式讓程序擁有更多的內(nèi)存可以使用，但是內(nèi)存的價(jià)格畢竟在哪里。
另外，即便你并不在乎價(jià)格，多大的內(nèi)存都能隨便買得起，但也并不意味這你裝了多大內(nèi)存就有多少內(nèi)存可以使用，不同CPU的架構(gòu)限制了它對內(nèi)存地址的訪問能力。例如一個(gè)64位架構(gòu)的CPU可能它只實(shí)現(xiàn)了44位，那么意味著它能訪問的物理內(nèi)存只有2^44Bytes這么大。
除了上面所說的資源抽象的作用，虛擬內(nèi)存還具有以下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
- 信息隔離：虛擬內(nèi)存使得每個(gè)進(jìn)程都有自己的一個(gè)地址空間，每個(gè)進(jìn)程之間不能相互訪問對方的地址空間，這就增加了安全性；
- 錯(cuò)誤隔離：每個(gè)進(jìn)程內(nèi)部的錯(cuò)誤只會影響到該進(jìn)程，而不會危及別的進(jìn)程。
2. 術(shù)語
2.1. 地址空間
地址空間簡單來說就是一個(gè)進(jìn)程能夠訪問的所有虛擬地址，例如在64位系統(tǒng)中一個(gè)程序擁有的地址空間為0~0xFFFFFFFFFFFFFFFF
2.2 虛擬地址
虛擬地址（Virtual Address，VA），就是地址空間中的任意一個(gè)地址；
2.3. 物理地址
物理地址（Physical Address，PA），CPU訪問內(nèi)存所使用的真實(shí)地址；
2.4 頁
虛擬內(nèi)存中一段連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域，整個(gè)虛擬內(nèi)存被分成多個(gè)大小相等的頁，不同架構(gòu)的CPU定義的頁的大小可能不同，例如4KB、8KB等。
2.5 頁幀
物理內(nèi)存中一段連續(xù)的區(qū)域，整個(gè)物理內(nèi)存被分成多個(gè)大小相等的頁幀，不同架構(gòu)的CPU定義的頁幀的大小可能不同，例如4KB、8KB等。一般情況下頁和頁幀的大小是一樣的，但在某些架構(gòu)的CPU上頁和頁幀的大小可能不一樣。
2.4 頁表
保存虛擬地址與物理地址映射關(guān)系的一個(gè)表，Linux中頁表分為多級結(jié)構(gòu)，每一級都占據(jù)整個(gè)頁幀。頁幀只存在與物理內(nèi)存上并且不能交換，因此頁幀的大小的大小其實(shí)也限制了地址空間的大小。例如一個(gè)64位的操作系統(tǒng)，雖然理論上它的地址空間應(yīng)該是0-2^64 Byte，但是在頁幀大小為4KB，擁有三級頁表的情況下，地址空間只有0-2^39那么大。這是怎么算出來的呢？
在三級頁表中，這三級分別稱為PGD（Page Global Directory）、PMD（Page Middle Directory）和PTE（Page Table Entry），他們的關(guān)系如圖1所示，PGD指向PMD，PMD指向PTE，PTE最終指向頁幀。PGD和PMD中存儲的下一級的物理地址，而PTE中存儲的內(nèi)容包括PFN（Page Frame Number）、標(biāo)志位等信息。
由于頁幀的大小已經(jīng)是4KB，64位系統(tǒng)中也表中的每一項(xiàng)大小為64位也就是8Byte，那么一個(gè)頁幀能存儲的表項(xiàng)的數(shù)目為512條。由于只有一個(gè)頁幀存儲PGD，那么只需要使用9位就能夠索引到該頁幀中的所有表項(xiàng)，因此虛擬地址中使用9位表示PGD中某一項(xiàng)。同理，PMD與PTE也只用9位，因此PGD、PMD與PTE占了虛擬地址中的27位。當(dāng)最終通過PTE找到存儲數(shù)據(jù)的真正頁幀，由于該頁幀中保存的是實(shí)際的數(shù)據(jù)，通常以Byte為最小地址索引單元，因此4KB就能分成1024*4這么多小塊，需要12位才能索引完，合起來就需要39位。為了能使用更大的地址空間，就需要通過采取更大頁幀或者增加頁表級數(shù)的方法，例如如果使用8KB的頁幀，則地址空間可以擴(kuò)展到43位，而如果再擴(kuò)展一級頁表，則可以有48位地址空間可以使用。
2. 怎么表示物理內(nèi)存
物理內(nèi)存分為NUMA（Non-Uniform Memory Access）和UMA（Uniform Memory Access）兩種類型，雖然我們通常認(rèn)為CPU訪問內(nèi)存的各個(gè)區(qū)域的代價(jià)是一樣的，但是有時(shí)候并不是這樣。在Linux中，將訪問代價(jià)一樣的內(nèi)存歸為一個(gè)Node，UMA只有一個(gè)Node，NUMA有多個(gè)Node，一般的PC都是UMA類型的。
由于架構(gòu)的限制，CPU并不能平等使用所有的內(nèi)存，例如某些DMA處理器只能訪問物理內(nèi)存開始的16M內(nèi)存。因此，需要將物理內(nèi)存分為不同的區(qū)（Zone），通常可分為以下三個(gè)不同的區(qū)：ZONE_DMA、ZONE_NORMAL以及ZONE_HIGHMEM，每一個(gè)區(qū)都表示一塊連續(xù)的內(nèi)存。
而每個(gè)區(qū)可以分為一個(gè)個(gè)頁幀，因此，在Linux中，物理內(nèi)存的表示如下圖2所示。
3. 怎么通過虛擬內(nèi)存地址找到物理內(nèi)存地址
物理地址和虛擬地址的映射是通過頁表來實(shí)現(xiàn)的。那么我們怎么樣才能通過頁表將虛擬地址轉(zhuǎn)化為物理地址呢？如圖3所示，下面簡要介紹下頁表是怎么工作的。
在Linux中，每個(gè)進(jìn)程有一個(gè)指向PGD的指針，通過該指針我們能找到PGD表。找到該P(yáng)GD后，通過所給的地址的指定9位（如圖3中的page index），我們可以找到該虛擬地址所屬于的PGD項(xiàng)，該相中保存的是指向PMD的地址，這樣，我們就來到該虛擬地址所屬于的PMD中。與之前一樣，我們在PMD中通過pmd index找到了對應(yīng)的PTE的地址，我們通過pte index找到了該虛擬地址所映射的頁幀。最后，通過offset我們就能確定該虛擬地址所指向的是所找到頁幀的哪一字節(jié)。
4. 如何實(shí)現(xiàn)
1949年10月1日，新中國成立的開國大典，很少人知道，當(dāng)時(shí)天上飛過的不是26架戰(zhàn)機(jī)，而是17架。那時(shí)，我國總共有100多架戰(zhàn)機(jī)，其中很多已經(jīng)破爛不堪，飛都很難飛起來，而且還是萬國牌。
如何讓場面看起來更壯觀些？
沉思良久后，周總理提出了一個(gè)建議：這17架飛機(jī)中有9架速度比較快，閱兵時(shí)讓它們飛前面，繞一圈后迅速回到隊(duì)伍最后面，這樣就能營造出一種有26架飛機(jī)參加閱兵式的感覺。
操作系統(tǒng)對內(nèi)存的操作和這個(gè)飛機(jī)飛兩遍的操作非常相似。讓多個(gè)虛擬在 不同時(shí)間段與同一個(gè)頁幀做映射，就能然人柑橘能使用的內(nèi)存比實(shí)際的大。
只是僅僅讓多個(gè)虛擬頁分別于頁幀分時(shí)映射還不行，還需要有一個(gè)地方用于保存他們各自的數(shù)據(jù)，這個(gè)地方就是硬盤。比如某個(gè)市場只有一個(gè)攤位，張三、李四和王五三班倒的用這個(gè)攤位賣東西。他們?nèi)吮舜瞬⒉恢缹Ψ降拇嬖?，顯然，除了這個(gè)攤位，他們?nèi)吮仨氝€各種需要一個(gè)倉庫用于在他們不賣貨的時(shí)間段存放他們的貨物，否則如果他們都貨物都直接丟在攤位，那么張三很可能就把李四的東西給賣了。
如圖4所示，假設(shè)操作系統(tǒng)將兩個(gè)虛擬頁映射到了同一個(gè)頁幀，這兩個(gè)虛擬頁可以屬于同一個(gè)地址空間也可以屬于不同的地址空間，一般來說應(yīng)該屬于不同的地址空間，假設(shè)它們分別稱為P1和P2，那么從感覺上這兩個(gè)虛擬頁都是獨(dú)立的一塊內(nèi)存，雖然實(shí)際上他們映射的是同一個(gè)頁幀，假設(shè)這個(gè)頁幀成為F，但同一時(shí)間內(nèi)只能有一個(gè)虛擬頁和頁幀綁定。此外，P1和P2在磁盤上各自有著一款與它們自身大小相等的空間作為備份，假設(shè)分別是B1與B2。某一時(shí)刻，F(xiàn)存儲的是P1的內(nèi)容，現(xiàn)在程序訪問到了P2，由于P2的目前還沒和F綁定，就會觸發(fā)缺頁中斷（page fault）。操作系統(tǒng)先掛起當(dāng)前程序，然后中斷處理程序（page fault handler）就會將目前物理內(nèi)存幀內(nèi)的內(nèi)容存儲到磁盤B1，而把B2的內(nèi)容讀到F，然后將P2綁定到F，最后恢復(fù)被掛起的程序的執(zhí)行。通過這一換頁機(jī)制，程序就拿到了P2上的存儲的內(nèi)容。當(dāng)又需要P1的內(nèi)容的時(shí)候，同樣的方法得到，而應(yīng)用程序并不知道這些，在應(yīng)用程序看來，它需要的數(shù)據(jù)一值都在內(nèi)存中。
5. 總結(jié)
本文只是對虛擬內(nèi)存做了簡單的介紹，內(nèi)存是個(gè)有意思的東西，程序的一切操作都是圍繞它展開，理解了底層對內(nèi)存的操作，對于理解上層程序?qū)?nèi)存所做的各種操作也很有幫助。
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