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| 导读 | 当多个程序同时运行时，如何让多个应用程序共同使用物理内存资源？ |
当多个程序同时运行时，如何让多个应用程序共同使用物理内存资源？有两种简单的方法：
使某一个应用程序独占所有的内存资源。一个程序要运行就将另一个程序的内存数据转存到硬盘中，使要运行的程序独占所有内存资源。
缺点：硬盘读写速度很慢（相对而言），如果应用程序频繁切换，必然会造成大量时间开销。
让每一个应用程序独占一部分内存资源。多个应用程序的数据，可以一直保存在内存中，避免了硬盘读写的时间开销。
缺点：无法保证不同应用程序内存之间的隔离性，如果应用程序 A 错误读取或修改了应用程序 B 的内存数据，就会造成严重的后果。
缺点：无法保证每个应用程序分到的内存地址是连续的，这会增加程序编写的复杂度。
为了使不同的应用程序高效，安全的使用内存，虚拟内存应运而生。顾名思义，虚拟内存是对物理内存的一种抽象，它介于应用程序与物理内存之间。应用程序是面向虚拟内存编写的，而不再是面向物理内存编写的。应用程序在运行时只能使用虚拟地址 CPU 负责将虚拟地址翻译成物理地址，操作系统负责设置虚拟地址到物理地址的映射。
优点：
应用程序只能看到自己的虚拟地址空间，从而保证了应用程序之间内存的隔离性，使应用程序运行更安全。
每个应用程序的虚拟内存空间是连续的、统一的，从而降低了编程的复杂性。
地址翻译：CPU 中的内存管理单元（MMU）负责将虚拟内存翻译成物理内存。为了加速地址翻译过程，MMU 中还加入了转址旁路缓存（TLB），TLB 可以缓存一部分虚拟地址到物理地址的映射，从而加速翻译。
虚拟内存是硬件提供的一种功能，而不是操作系统提供的。
分段和分页是 MMU 将虚拟地址翻译为物理地址的两种机制。
分段
在分段的机制下，操作系统以“段”（一段连续的物理内存）的形式来管理、分配虚拟内存和物理内存。应用程序的虚拟地址空间由若干个不同大小的段组成，比如：代码段、数据段。
每一段都是一个虚拟地址空间，虚拟地址由两部分组成：段号和段内地址。MMU 通过段表找到对应的物理段，再通过虚拟地址中的段内地址（偏移量）找到对应的物理地址。
缺点：造成物理出现外部碎片。虚拟地址中相邻的段对应到物理内存中可能就不相邻了，这样虽然实现了物理内存的离散分配，但是可能造成物理内存中相邻的段之间出现内存碎片（不足以映射给虚拟内存中的段）。
分页
将应用程序的虚拟地址空间划分成连续的，等长的虚拟页，同时物理内存也被划分为等长的，连续的虚拟页。操作系统为每一个应用程序构造页表（虚拟页到物理页的映射关系表）。分页机制下的虚拟地址由两部分构成：虚拟页号和页内偏移量。
MMU 通过应用程序的页表找到虚拟页号对应的物理地址，再通过页内偏移量找到对应的物理地址。
上面的简单分页机制在位操作系统中，还能用，但是在 64 位操作系统中就不行了。64 位操作系统，虚拟地址长 64 位，也就是 8 个字节，64 位寻址范围是 0~2^64，如果一个虚拟页大小 4KB，那么就会有 2^64/4KB 个虚拟页，如果用一张页表来记录，一个页表项 8 字节，那么页表大小就为 2^64/4KB*8，这是一个无法接受的数字。为了压缩页表的大小，多级页表应运而生。下面是一个 4 级页表的示意图：
在多级分页机制下，0 级页表只有一个页表页，而其余每一级页表都可以拥有多个离散的页表页。虚拟地址可以分为两部分：虚拟页号和页内偏移。只不过虚拟页号可以进一步分为四个部分，依次对应其在对应级数页表中的索引。当任意一级页表中的条目为空时，就意味着该条目对应的下一级页表不需要存在，因此节省了大量空间。
分类: 计算机操作系统
