虛擬記憶體是電腦記憶體的一部分嗎？

虛擬記憶體是電腦實體記憶體中劃分出來的一部分。虛擬記憶體是電腦系統記憶體管理的技術，它通常是被分隔成多個實體記憶體碎片，還有部分暫時儲存在外部磁碟記憶體上，在需要時進行資料交換。

作業系統有虛擬記憶體與實體記憶體的概念。在很久以前，還沒有虛擬記憶體概念的時候，程式尋址用的都是實體位址。程式能定址的範圍是有限的，這取決於CPU的位址線條數。例如在32位元平台下，尋址的範圍是2^32也就是4G。而這是固定的，如果沒有虛擬內存，且每次開啟一個進程都給4G的物理內存，就可能會出現很多問題：

• 因為我的物理內存時有限的，當有多個進程要執行的時候，都要給4G內存，很顯然你內存小一點，這很快就分配完了，於是沒有得到分配資源的進程就只能等待。當一個進程執行完了以後，再將等待的進程裝入記憶體。這種頻繁的裝入記憶體的操作是很沒效率的

• 由於指令都是直接存取物理記憶體的，那麼我這個進程就可以修改其他進程的數據，甚至會修改內核位址空間的數據，這是我們不想看到的

• 因為記憶體時隨機分配的，所以程式運行的位址也是不正確的。

於是針對上面會出現的各種問題，虛擬記憶體就出來了。

一個行程在執行時都會得到4G的虛擬記憶體。這個虛擬記憶體你可以認為，每個進程都認為自己擁有4G的空間，這只是每個進程認為的，但是實際上，在虛擬內存對應的物理內存上，可能只對應的一點點的物理內存，實際用了多少內存，就會對應多少物理內存。

進程得到的這4G虛擬記憶體是一個連續的位址空間（這也只是進程認為），而實際上，它通常是被分隔成多個物理記憶體碎片，還有一部分儲存在外部磁碟在記憶體上，在需要時進行資料交換。

程式開始要存取一個位址，它可能會經歷下面的過程

• #每次我要存取位址空間上的某一個位址，都需要把位址翻譯為實際物理記憶體位址

• 所有行程共享這整一塊實體內存，每個行程只把自己目前需要的虛擬位址空間映射到物理記憶體上

• #進程需要知道哪些位址空間上的資料在實體記憶體上，哪些不在（可能這部分儲存在磁碟上），還有在實體記憶體上的哪裡，這就需要透過頁表來記錄

• 頁表的每個表格項目分成兩部分，第一部分記錄此頁是否在實體記憶體上，第二部分記錄實體記憶體頁的位址（如果在的話）

• 當進程存取某個虛擬位址的時候，就會先去看頁表，如果發現對應的資料不在實體記憶體上，就會發生缺頁異常

• ##缺頁異常的處理過程，作業系統立即阻塞該進程，並將硬碟裡對應的頁換入內存，然後使該進程就緒，如果內存已經滿了，沒有空地方了，那就找一個頁覆蓋，至於具體覆蓋的哪個頁，就需要看作業系統的頁面置換演算法是怎麼設計的了。

關於虛擬記憶體與實體記憶體的聯繫，下面這張圖可以幫助我們鞏固。

頁表的工作原理如下圖

• #我們的cpu想要存取虛擬位址所在的虛擬頁(VP3)，根據頁表，找出頁表中第三條的值.判斷有效位。若有效位元為1，DRMA快取命中，根據實體頁號，找到實體頁當中的內容，返回。

• 若有效位元為0，參數缺頁異常，呼叫核心缺頁異常處理程序。核心透過頁面置換演算法選擇一個頁面作為被覆蓋的頁面，將該頁的內容刷新到磁碟空間當中。然後把VP3映射的磁碟檔案快取到該實體頁上面。然後頁表中第三條，有效位元變成1，第二部分儲存了可以對應實體記憶體頁的位址的內容。

• 缺頁異常處理完畢後，返回中斷前的指令，重新執行，此時快取命中，執行1。

• 將找到的內容對應到告訴快取當中，CPU從告訴快取中取得該值，結束。

再來總結虛擬記憶體是怎麼運作的#

當每個進程創建的時候，核心會為進程分配4G的虛擬內存，當進程還沒有開始運行時，這只是一個內存佈局。實際上並沒有立即就把虛擬記憶體對應位置的程式資料和程式碼（例如.text .data段）拷貝到實體記憶體中，只是建立好虛擬記憶體和磁碟檔案之間的映射就好（叫做記憶體對映）。這時候資料和程式碼還是在磁碟上的。當執行到對應的程式時，進程去尋找頁表，發現頁表中位址沒有存放在實體記憶體上，而是在磁碟上，於是發生缺頁異常，於是將磁碟上的資料拷貝到實體記憶體中。

另外在進程運行過程中，要透過malloc來動態分配記憶體時，也只是分配了虛擬內存，即為這塊虛擬內存對應的頁表項做相應設置，當進程真正訪問到此數據時，才引發缺頁異常。

可以認為虛擬空間都被映射到了磁碟空間中（事實上也是按需要映射到磁碟空間上，透過mmap，mmap是用來建立虛擬空間和磁碟空間的映射關係的）

利用虛擬記憶體機制的優點 

• 既然每個行程的記憶體空間都是一致且固定的（32位元平台下方都是4G），所以連結器在連結可執行檔時，可以設定記憶體位址，而不用去管這些資料最終實際記憶體位址，這交給核心來完成映射關係

• 當不同的當行程使用同一段程式碼時，例如庫檔案的程式碼，在實體記憶體中可以只儲存一份這樣的程式碼，不同行程只要將自己的虛擬記憶體映射過去就好了，這樣可以節省實體記憶體

• #在程式需要分配連續空間的時候，只需要在虛擬記憶體分配連續空間，而不需要實體記憶體時連續的，實際上，往往物理記憶體都是斷斷續續的記憶體碎片。這樣就可以有效地利用我們的實體記憶體

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