参考文章：https://www.cnblogs.com/yaoxiaowen/p/7805964.html

问题：
1， 进程是，一个程序在运行时，会有这样一种假象，该程序（也就是这个进程）好像是独占使用 CPU 和内存，CPU 是没有间断地一条接一条的执行该程序的指令，所有的内存空间都是供该进程的代码和数据分配使用的。这是如何做到的。

2. 不同进程之间，如果都同时使用一个内存地址，那么为什么没有引起冲突和错误

3. 在程序运行时，库代码也要被加到内存中，如果许多程序都应用了这个库，那么内存中需要对库代码加载好多份吗？如果不是的，那么库代码又如何被所有进程所共享？

一 物理和虚拟寻址

1.1 物理寻址

在访问者看来，内存就是一个有M个字节大小的单元组成的数组，每个字节都有唯一的物理地址（Physical Address PA）。它的访问地址和数组一样，第一个地址都是0，后面的地址依次为 1,2,3 .... M-1, 这叫做线性地址空间。这种自然的寻址方式我们称之为物理寻址（physical addressing）。

注意：在访问内存时，对于任意一个地址，不管是（第0个还是第M-1个），访问该地址的时间总是相同的。

在各种数据结构中，我们都说 hash 表是最快的，比红黑树都要快，为啥 hash 最快？hash 表内部本质是永乐数组，所以本质上还是数组最快。为什么数组最快？这是因为知道数组的起始地址以及某个元素的序号，就可以得到该元素在内存中的地址，而对内存，访问任意一个地址，访问时间总是相同的。而类似链表、数等结构，却只能靠遍历了。

pysicalAddressing.png

上图是一个物理寻址的例子，这是一条加载指令，它读取从物理地址5开始的3个字节，CPU通过内存总线将指令和地址传给内存，内存读取从物理地址5开始的3个字节，返回给CPU。

1.2 虚拟寻址

virtualAddress.png

早期计算机使用物理寻址方式，但是到了现在的多任务计算机时代，普遍使用的是虚拟寻址（virtual Address）

CPU 通过一个虚拟地址（virtual address, VA）来访问内存，这个虚拟地址在被送到内存之前会先转换成一个物理地址，将虚拟地址转化成物理地址的任务叫做地址翻译（address translation）

有少数现代计算机系统依旧采用物理寻址方式，比如嵌入式、超级计算机。这些系统主要是执行单一任务，不像通用计算机那样使用多任务。可以想象到，物理寻址方式更快。这个道理，和Java比C++ 慢是一个道理。（虚拟机 / C++）

之所以不会发生文章开头的问题，正式因为虚拟内存的存在。

进程地址空间

virtual.png

上图是一个 64位 的进程地址空间，编译器在编译程序时，将结果编译 32/64 位的地址空间。虚拟寻址方式简化了编译器，链接器的工作。
同时也因为虚拟内存，每个进程才能有很大的，一致的，私有的地址空间。这方便了内存管理，保护了每个进程的地址空间不被其他进程破坏，同时也方便了共享库。

三、虚拟内存也是一种缓存思想

虚拟内存将内存看成是一个磁盘的高速缓存，内存中只保存活动区域，并根据需要在磁盘和内存之间来回传递数据。

从概念上说，虚拟内存被组织成一个由存放在磁盘上的 N 个连续的字节大小的单元组成的数组，也就是字节数组。
每个字节都有一个唯一的虚拟地址作为数组的索引。虚拟内存的地址和磁盘的地址之间建立映射关系。磁盘上活动的数组内容被缓存在主存中，在存储器层次中，磁盘（较低层L5）的数据被分割为块（block），这些块作为和内存（较高层，L4）之间的传输单元。内存作为虚拟内存（或者说磁盘）的缓存。

虚拟内存（VM）系统将虚拟内存分割为大小固定的虚拟页（Virtual Page），每个虚拟页的大小为固定字节。同样的，物理内存被分割为物理页（Physical Page PP）,大小也为固定字节（物理也成称为页帧，Page frame）。

在任意时刻，虚拟页面都分为三个不相交的部分：

• 未分配的（Unallocated）, VM 系统还未分配（或者创建）的页，未分配的页没有任何数据和它们关联，因此不占用任何内存/磁盘空间。
• 缓存的（Cache）：当前已缓存在物理内存中的已分配页

• 未缓存的（UnCache）：该页已经映射到磁盘上，但是还未缓存在屋里内存中。

  
  
  virtual.png
  
  

  这张图展示了在一个有 8 个页面的虚拟内存中，虚拟 0 和 3 还没有被分配，所以

其中未分配的VP不占用任何的实际物理空间。32位程序地址空间就有4G，至于64G的程序的地址空间也是非常的（2的64次），而目前我们电脑的高配也就2T，16G内存。如果64位程序每个VP都映射着实际的PP。无论如何也对不上。并且也完全没必要。

页表（page table）

系统必须得有办法判断某个虚拟页是否缓存在内存的某个地方。这具体分为两种情况：

• 已经在内存中，就需要判断该虚拟页存在于哪个物理页中
• 不在内存中，那么系统必须判定虚拟页存放在磁盘的哪个位置，并且在物理内存中选择一个牺牲页，并将该虚拟页从磁盘复制到内存，替换这个牺牲页。

这些功能由软硬件联合起来，包括操作系统，CPU 中的内存管理单元（Memory Management Unit,MMU）和一个存放在物理内存中叫页表（page table）的数据结构，页表将虚拟页映射到物理页。

pageTable.png

上图展示了一个页面的基本结构，页表是一个页表条目（Page Table Entry, PTE）的数组。虚拟地址的每个页都在页表中有一个对应的 PTE。在这里我们假设每个 PTE 是由一个有效位（Valid bit）和一个 n 位地址字段组成的。有效位表明了该虚拟页是否被缓存在内存中：

• 有效位为1，则内存缓存了该虚拟页，地址字段表示内存中相应的物理页的起始位置。
• 有效位为0，则地址字段的null表示这个虚拟页还未被分配，否则该地址就指向该虚拟页在磁盘上的起始位置。

页命中与缺页

在存储器层次结构中说过缓存命中与不命中的问题，都是缓存思想。磁盘与内存之间的缓存不命中代价肯定大的多。因为 L0 - L4 之间，每级缓存的速度大约相差了 10 倍左右，但是 L4 主存与 L5 磁盘之间，它们的速度相差十万倍。所以主存与磁盘之间交换的页容量是最大的，尽可能的增加命中率。

在存储器层次，每次替换的区域，是以块（block）为单位，在这里却是 页（page）。其实两者都是同一个意思，因历史原因叫法不同。

当 CPU 想要读取包含在某个虚拟页的内容时，如果该页已经缓存在主存中，也就是页命中。但是如果该页美欧缓存在内存中，则称之为缺页（page fault）.

pageFault.png

Page fault: 指向虚拟内存，它不在物理内存中。
如上图所示， CPU 引用了 VP3 中的内容，VP3 并未缓存在主存中。系统从内存中读取 PTE3 时， 得知 VP3 未被缓存，这会触发一个缺页异常。缺页异常会调用 kernel 的缺页异常处理程序，该程序会选择一个牺牲页。如下图所示，牺牲页选择了存放在 PP3 中的 VP4.

vp4.png

此时如果 VP4 的内容被修改了，Kernel 会将它复制回磁盘的。接下来，Kernel 从磁盘赋值 VP3 到内存中的 PP3 并更新 PTE3。随后返回用户进程。当异常处理程序返回时，它会重启执行导致缺页的指令，当重新执行这条指令时，因为此时VP3已经在主存中，此时就是页命中。

vp3.png

根据习惯性的叫法，我们在磁盘和内存之间传递页的活动叫做交换（swapping）或者页面调度（paging）。这种交换活动，只有当不命中发生时才会发生（也就是当系统没有把磁盘内存预存到内存中）。这种策略叫做按需页面调度（demand）。

虚拟内存作为内存管理和内存保护的工具

理所当然，每个进程都有一个独立的页表和一个独立的虚拟地址空间.
比如每个 C 程序都要调用 stdio 这个库，不可能为每个进程都添加一份库，内存中只有一份 stdio 库的内容，供每个使用该库的进程共享。

reset.png

如上图所示，第一个进程的的页表将 VP2 映射到某个物理页面，而第二个进程的同样将它的 VP2 映射到该物理页面。所以该物理页面被这两个进程所共享。

在 c 语言中存在指针，可以直接进行内存操作。因为有了虚拟内存，所以我们的指针操作也不会访问到其他进程的区域，但是哪怕对于自己的地址空间，很多内存区域也应该是禁止访问的，这不仅包括 kernel 的区域，也包括自己的只读代码段。那么虚拟内存就提供了这样的一种内存保护工具。

地址翻译机制可以使用一种自然的方式来提供内存的访问控制。PTE上添加一些额外的控制位来添加权限。每次 CPU 生成一个地址时，地址翻译硬件都会读一个 PTE。

virtualProtected.png

虚拟内存提供内存保护，在上图中，每个 PTE 额外添加了三个控制位，SUP 表示进程是否必须运行内核模式，READ 和 WRITE 分别控制页面的读写权限。如果有指令违反了这些控制权限，那么 CPU 会触发一个故障，并将控制传递给内核中的异常处理程序。这种异常被称为段错误（segmentation fault）

段和页

页是操作系统为了管理主存方便而划分的，对用户不可见。但是思考这个情况，一个页的大小是 1 M，但是某个程序数据加起来也就 0.5 M,所以在内存和磁盘进行页交换明显浪费了内存。所以还有一种划分方式是分段。

swap 分区的作用

linux 有一个 swap 分区，它的作用是当系统的物理内存不够用的时候，就要将物理内存中的一部分空间释放出来，以供当前运行的程序使用。那些被释放的空间可能来自于一些很长时间也没有什么操作的程序，这些被释放的空间中的信息被临时保存到 Swap 区域，等到那些程序要运行时，再从 Swap 中唤醒，恢复保存的数据到内存中。系统总是在物理内存不够时，才进行 Swap交换。

特别注意，按照字面意思，swap 交换区也可以称为虚拟内存。硬盘上的 swap 交换区，其实就相当于承担了内存的作用。swap 交换区起到了扩大内存的作用。所以从某种意义上讲，swap 区也可以叫做虚拟内存，但是这个虚拟内存是字面意思，和我们本文中站在计算机系统角度来解释的虚拟内存不是一个概念。