前一段時(shí)間在面試總監的時(shí)候，總監問(wèn)了我這樣的一個(gè)問(wèn)題：你個(gè)我說(shuō)說(shuō)物理內存和虛擬內存到底是怎么一回事？
其實(shí)之前我看過(guò)這個(gè)問(wèn)題，據我理解的，當時(shí)是這么回答的“進(jìn)程在運行的時(shí)候，操作系統都為其分配一個(gè)4GB的地址空間，即所謂的虛擬地址空間，一般情況下，當我們的程序很大的時(shí)候，實(shí)際的物理內存根本不能滿(mǎn)足我們的需求的時(shí)候，這個(gè)時(shí)候操作系統就會(huì )借助磁盤(pán)空間來(lái)做虛擬的內存空間，把當前進(jìn)程不需要的數據放在磁盤(pán)上，等到用到的時(shí)候，在利用調度算法把所需要的數據從磁盤(pán)空間上調度到內存，虛擬內存就是為了擴大內存的容量，每當我們要運行一個(gè)程序的時(shí)候經(jīng)過(guò)編譯以后形成的僅僅是邏輯上的空間，根本不是可以直接運行的內存空間，所以它還存在一個(gè)地址映射的概念?！碑敃r(shí)感覺(jué)回答的很是籠統，只見(jiàn)總監在最后說(shuō)了一句，你下去還是把這一塊的內容在好好看看，所以今天就好好的把這個(gè)概念理一理。
首先我從最基本的概念說(shuō)起，什么是物理內存的概念，虛擬內存的概念？
物理內存，在應用中，自然是顧名思義，物理上，真實(shí)的插在板子上的內存是多大就是多大了。而在CPU中的概念，物理內存就是CPU的地址線(xiàn)可以直接進(jìn)行尋址的內存空間大小。比如8086只有20根地址線(xiàn)，那么它的尋址空間就是1MB，我們就說(shuō)8086能支持1MB的物理內存，及時(shí)我們安裝了128M的內存條在板子上，我們也只能說(shuō)8086擁有1MB的物理內存空間。同理我們現在大部分使用的是32位的機子，32位的386以上CPU就可以支持最大4GB的物理內存空間了。
先說(shuō)說(shuō)為什么會(huì )有虛擬內存和物理內存的區別。正在運行的一個(gè)進(jìn)程，他所需的內存是有可能大于內存條容量之和的，比如你的內存條是256M，你的程序卻要創(chuàng )建一個(gè)2G的數據區，那么不是所有數據都能一起加載到內存（物理內存）中，勢必有一部分數據要放到其他介質(zhì)中（比如硬盤(pán)），待進(jìn)程需要訪(fǎng)問(wèn)那部分數據時(shí)，在通過(guò)調度進(jìn)入物理內存。所以，虛擬內存是進(jìn)程運行時(shí)所有內存空間的總和，并且可能有一部分不在物理內存中，而物理內存就是我們平時(shí)所了解的內存條。有的地方呢，也叫這個(gè)虛擬內存為內存交換區。關(guān)鍵的是不要把虛擬內存跟真實(shí)的插在主板上的內存條相掛鉤，虛擬內存它是“虛擬的”不存在，假的啦，它只是內存管理的一種抽象！
那么，什么是虛擬內存地址和物理內存地址呢。假設你的計算機是32位，那么它的地址總線(xiàn)是32位的，也就是它可以尋址0~0xFFFFFFFF（4G）的地址空間，但如果你的計算機只有256M的物理內存0x~0x0FFFFFFF（256M），同時(shí)你的進(jìn)程產(chǎn)生了一個(gè)不在這256M地址空間中的地址，那么計算機該如何處理呢？回答這個(gè)問(wèn)題前，先說(shuō)明計算機的內存分頁(yè)機制。
計算機會(huì )對虛擬內存地址空間（32位為4G）分頁(yè)產(chǎn)生頁(yè)（page），對物理內存地址空間（假設256M）分頁(yè)產(chǎn)生頁(yè)幀（page frame），這個(gè)頁(yè)和頁(yè)幀的大小是一樣大的，所以呢，在這里，虛擬內存頁(yè)的個(gè)數勢必要大于物理內存頁(yè)幀的個(gè)數。在計算機上有一個(gè)頁(yè)表（page table），就是映射虛擬內存頁(yè)到物理內存頁(yè)的，更確切的說(shuō)是頁(yè)號到頁(yè)幀號的映射，而且是一對一的映射。但是問(wèn)題來(lái)了，虛擬內存頁(yè)的個(gè)數 > 物理內存頁(yè)幀的個(gè)數，豈不是有些虛擬內存頁(yè)的地址永遠沒(méi)有對應的物理內存地址空間？不是的，操作系統是這樣處理的。操作系統有個(gè)頁(yè)面失效（page fault）功能。操作系統找到一個(gè)最少使用的頁(yè)幀，讓他失效，并把它寫(xiě)入磁盤(pán)，隨后把需要訪(fǎng)問(wèn)的頁(yè)放到頁(yè)幀中，并修改頁(yè)表中的映射，這樣就保證所有的頁(yè)都有被調度的可能了。這就是處理虛擬內存地址到物理內存的步驟。
現在來(lái)回答什么是虛擬內存地址和物理內存地址。虛擬內存地址由頁(yè)號（與頁(yè)表中的頁(yè)號關(guān)聯(lián)）和偏移量組成。頁(yè)號就不必解釋了，上面已經(jīng)說(shuō)了，頁(yè)號對應的映射到一個(gè)頁(yè)幀。那么，說(shuō)說(shuō)偏移量。偏移量就是我上面說(shuō)的頁(yè)（或者頁(yè)幀）的大小，即這個(gè)頁(yè)（或者頁(yè)幀）到底能存多少數據。舉個(gè)例子，有一個(gè)虛擬地址它的頁(yè)號是4，偏移量是20，那么他的尋址過(guò)程是這樣的：首先到頁(yè)表中找到頁(yè)號4對應的頁(yè)幀號（比如為8），如果頁(yè)不在內存中，則用失效機制調入頁(yè)，否則把頁(yè)幀號和偏移量傳給MMU（CPU的內存管理單元）組成一個(gè)物理上真正存在的地址，接著(zhù)就是訪(fǎng)問(wèn)物理內存中的數據了?？偨Y起來(lái)說(shuō)，虛擬內存地址的大小是與地址總線(xiàn)位數相關(guān)，物理內存地址的大小跟物理內存條的容量相關(guān)。
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