通过上一篇文章的扯淡，我们应该已经明白了存储器的层次结构

• 不管什么程序，最后的直接/间接的编译结果都是0和1，(我们直接理解为汇编)。(这点不知道的，欢迎阅读我的另一篇文章关于跨平台的一些认识)，比如这句汇编代码：mov eax,0x123456;它的意思是将内存0x123456处的内容送往eax这个寄存器。各个应用的数据共同存在内存中的。假设有一个音乐播放器应用的汇编代码中，引用了0x123456这个内存地址。但是同时运行的应用有很多，那其他应用也完全有可能引用0x123456这个地址。那为什么竟然没起冲突和错误呢？

• 进程是计算机领域最重要的概念之一，什么是进程？进程是关于某次数据集合的一次运行活动， 是运行在它自己地址空间的一段自包容程序， 解释的通俗的点， 一个程序在运行时，我们会得到一个假象，该进程好像是独占地使用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。(这点不严谨，其实内存还有一部分要分给内核kernel)。说起来，这个程序就好像得到了全世界一样。，CPU是我的，内存也全部我的，妹子们还是我的。当然这是假象而已。但是这些假象又是怎么做到的呢？

• 程序中都会引用库API，比如每个C程序都要引用stdio.h库的printf()，在程序运行时，库代码也要被加入到内存，这么多程序都引用了这个库，难道我内存中需要加很多份吗？这自然不可能，那么库代码又是怎么被所有进程共享的呢？

这些让我们细思恐极的疑问，都将通过这篇文章来给大家解答。

物理和虚拟寻址

在访问者看来，主存就是一个有M个字节大小的单元组成的数组，每字节都有一个唯一的物理地址(Physical Address, PA)。 它的访问地址和数组一样，第一个地址为0，后面地址依次为1,2,3-----M-2, M-1;这叫做线性地址空间。这种自然的访问内存的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，比红黑树之类的都要快，那hash表为什么最快？那是因为hash表内部本质上是使用了数组。所以还是数组最快，那数组为什么最快？这是因为我们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，而对于内存，访问任意一个地址，访问时间总是相同的。而类似链表，树等结构，却只能靠遍历了。(不过好的hash算法还是很难设计的，这是另外一个话题了)。

图10：一个使用物理寻址的系统

上图是一个物理寻址的示例，这是一条加载指令，它读取从物理地址4开始的4个字节，CPU通过内存总线，将指令和地址传递给主存，主存读取从物理地址4处开始的4个字节，返回给CPU。

因为这篇文章主要讨论 虚拟内存，是关于L4级主存和磁盘之间的交互问题，为行文方便，文章中有时候直接说内存代指主存。所以这些不要误以为是指L1，L2之类的缓存。如果看不懂这段话啥意思，务必看看我的上一篇文章什么是内存（一）：存储器层次结构,然后再来看这篇文章。

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 addressing)。如下图所示：

图11：一个使用虚拟寻址的系统

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

地址翻译需要 CPU 硬件和操作系统之间的配合。 CPU 芯片上叫做内存管理单元（Menory Management Unit, MMU）的专用硬件，利用存放在主存中的查询表来动态翻译虚拟地址，该表的内容由操作系统管理。

有少数现代计算机系统依旧在使用物理寻址方式，比如DSP，嵌入式系统，超级计算机系统。这些系统的主要任务是执行单一任务，不像通用性计算机那样需要执行多任务。可以想象到，物理寻址方式更快。这个道理和关于跨平台的一些认识文章中，理论上java比C++慢的道理是一样的。

前面解释完虚拟地址，那么关于文章开头时提的那些疑问，可能有些人心里面都有数了。因为那些地址都是虚拟地址，并非真实的物理内存当中的地址。基本思想已经懂了，那么剩下的我们就更具体的讨论细节。

进程地址空间

图12:进程地址空间

上图是一个64位的进程地址空间，编译器在编译程序时，将结果编译成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。同样也因为虚拟内存，每个进程才能有很大的，一致的，私有的的地址空间。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。

虚拟内存也是一种缓存思想

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

从概念上来说，虚拟内存被组织成为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影射关系。磁盘上活动的数组内容被缓存在主存中。在存储器层次结构中，磁盘(较低层L5，参见我们上篇文章图4)的数据被分割成块(block)，这些块作为和主存(较高层,L4)之间的传输单元。主存作为虚拟内存(或者说磁盘)的缓存。

虚拟内存（VM）系统将虚拟内存分割成称为大小固定的虚拟页（Virtual Page,VP），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（物理页也称作页帧，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(Cached)：当前已缓存在物理内存中的已分配页。
• 未缓存的(UnCached)：该页已经映射到磁盘上了，但是还没缓存在物理内存中。

其中未分配的VP不占用任何的实际物理空间，这点要理解。32位程序地址空间就有4G，至于64G的程序它的地址空间是一个非常大的天文数字(貌似是16777216T)，而目前我们的电脑高配的也就2T磁盘，16G内存。如果64位程序每个VP都映射着实际的PP。无论如何也对应不上的。并且也完全没必要一一映射,"图12:进程地址空间"中可以看到，地址空间内有大量的空白。毕竟程序不可能实际使用那么大的地址空间。

图13：VM使用主存来作为缓存

上图展示了在一个有 8 个页面的虚拟内存中，虚拟页 0 和 3 还没有被分配，所以在磁盘上不存在。虚拟页 1，4，6 被缓存在物理内存中。虚拟页 2，5，7 已经被映射分配了，但是还没有缓存在主存中。

当然，那个图上标注的不对,VP 部分，n-p和N-1应该分别标注为3和7,不过我们找不到更合适的图了，(这种图自己画压力太大了)。所以大家知道我们假设共有8个VP就好了。

页表(page table)

系统必须得有办法判定某个虚拟页是否缓存在主存的某个地方。这具体可分为两种情况。

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

这些功能由软硬件联合提供，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。每次地址翻译硬件将一个虚拟地址转换成物理地址时都会读取页表。

图14：页表