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[旧帖] [邀请码已发]虚拟地址与虚拟内存个人理解 0.00雪花
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发表于: 2011-7-8 12:58
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学生不才，这个虚拟地址与虚拟内存的问题困惑的我很长的时间，现在写一下最近看过一些资料后的理解吧，肯定存在不完整或者不正确的地方，希望大家可以纠正，如果能给你带来一些新知识，或者帮您复习了一下旧知识，我感到非常荣幸，下面开始，以32位的i386 CPU看。
首先先来看看我一直以来认识的错误的地方。
在最开始看书的时候，我知道程序在运行时，不是全部加入内存当中的，当然，这个现在依旧正确，在有了虚拟地址空间这个概念以后，我一直认为是在硬盘中划分出一块虚拟内存出来，然后给每个程序4G的硬盘空间，作为这个程序的虚拟内存，然后就需要运行哪一块然后哪一块装入内存当中。后来发现这个是错误的。大家可以在我错误的地方来看看自己的理解，纠正自己的问题。
首先，虚拟地址空间是不等于虚拟内存的（我的一本Linux教材上写的是这两个概念一致的，我认为是错误的）。我们来看一下这几个概念：
虚拟内存：虚拟内存是一种逻辑上扩充物理内存的技术。基本思想是用软、硬件技术把内存与外存这两级存储器当做一级存储器来用。虚拟内存技术的实现利用了自动覆盖和交换技术。简单的说就是将硬盘的一部分作为内存来使用。
虚拟地址空间：在32位的i386 CPU的地址总线的是32位的，也就是说可以寻找到4G的地址空间。我们的程序被CPU执行，就是在0x00000000到0xFFFFFFFF这一段地址中。高2G的空间为内核空间，由操作系统调用，低2G的空间为用户空间，由用户使用。
CPU在寻址的时候，是按照虚拟地址来寻址，然后通过MMU(内存管理单元)将虚拟地址转换为物理地址。因为只有程序的一部分加入到内存中，所以会出现所寻找的地址不在内存中的情况（CPU产生缺页异常），如果在内存不足的情况下，就会通过页面调度算法来将内存中的页面置换出来，然后将在外存中的页面加入到内存中，使程序继续正常运行。
可以看出，虚拟地址空间和虚拟内存的一个关键的因素是MMU（内存管理单元）。
现在一个程序的执行现在可以分为3部分：
1：CPU需要执行的语句的虚拟地址。
2：程序装入内存的部分
3：程序再外存中的部分
因为CPU是通过时间片轮转的方法使不同的程序并发执行的。所以在某一时刻只有一个程序占据CPU资源，CPU的最大的寻址空间为4G，所以说可以将每个程序可以看做独立占据4G的内存（只是可以看成，但是它并没有占据实际的4G内存）。而CPU是将虚拟地址空间里面的代码执行，如果在内存中寻找不到所需要的页面，就需要到外存中寻找，外存的这一部分，我们可以当成内存来使用，这也就是虚拟内存。虚拟地址空间不等于虚拟内存。虚拟地址空间是一个空间，不是真正存在的，只是通过CPU的寻址虚拟出来的一个范围。而虚拟内存是实实在在的硬盘的空间。
我看到了一个比较形象的比喻，假设4G个门牌号（4G的虚拟地址空间，并将这4G的虚拟空间进行分页），但是房子的数量（内存）少于门牌号的数量（4G的虚拟空间），那样就先把每个房子（内存）上挂一个门牌号（页），如果你要找一个门牌号(页)，就需要查找每个房子（内存），如果这个门牌号没有挂（页还没有被加入到内存中），那么就将一个房子的门牌号（页面置换到外存）摘下来，把你找的那个门牌号挂上（将外存的页加入内存），这样就找到了需要的门牌号（页）。
这是我将这个比喻综合了一下。CPU只需要说找哪一个页面，MMU就将这个页面翻译成物理地址，再通过页面调度机制来讲不在内存中的页加入到内存中。
我认为计算机使用的是一种各司其职的方法。
CPU老大只需要要虚拟地址中的一页，范围在0x00000000到0xFFFFFFFF，因为他的地址总线是32位，4G是他最大的能力，然后他就把任务分配给他的手下，CPU不需要知道他的手下是如何找到这一页，他只负责去要这一页和执行这些代码，然后他就和他的手下说“有招想去，没招死去”，他的手下必须要能找到这一页，然后内存非常有限，而CPU不管这个，只需要你能找到这一页让我执行就好，所以CPU的手下就将硬盘中的一部分当做内存，然后拿来骗CPU说，“这是我从内存中找到的”，然后CPU就去运行。如果访问的地方实在是不能找到，或者是没有权限，那么这个程序就真死了。程序员在开发的时候，因为程序员所编写的代码最终是要让CPU去执行，所以程序员也理所应当认为我有4G的内存空间，程序员把程序交给CPU，CPU就交给他手下。
所以说，他们每一层都不需要管对方是如何办到的，他们在乎的只有结果。他们各司其职，CPU认为我有4G内存空间的原因是因为CPU的地址总线为32位，最大的寻址能力是4G，而内存没有这个大，所以它想出来的办法是将硬盘的一部分拿来骗CPU，并给这块骗人的地方起了一个好名字，虚拟内存。这就是我的理解中的虚拟内存空间和虚拟内存的概念。
自身水平有限，希望大家矫正，谢谢！
首先先来看看我一直以来认识的错误的地方。
在最开始看书的时候，我知道程序在运行时，不是全部加入内存当中的，当然，这个现在依旧正确，在有了虚拟地址空间这个概念以后，我一直认为是在硬盘中划分出一块虚拟内存出来，然后给每个程序4G的硬盘空间，作为这个程序的虚拟内存，然后就需要运行哪一块然后哪一块装入内存当中。后来发现这个是错误的。大家可以在我错误的地方来看看自己的理解，纠正自己的问题。
首先，虚拟地址空间是不等于虚拟内存的（我的一本Linux教材上写的是这两个概念一致的，我认为是错误的）。我们来看一下这几个概念：
虚拟内存：虚拟内存是一种逻辑上扩充物理内存的技术。基本思想是用软、硬件技术把内存与外存这两级存储器当做一级存储器来用。虚拟内存技术的实现利用了自动覆盖和交换技术。简单的说就是将硬盘的一部分作为内存来使用。
虚拟地址空间：在32位的i386 CPU的地址总线的是32位的，也就是说可以寻找到4G的地址空间。我们的程序被CPU执行，就是在0x00000000到0xFFFFFFFF这一段地址中。高2G的空间为内核空间，由操作系统调用，低2G的空间为用户空间，由用户使用。
CPU在寻址的时候，是按照虚拟地址来寻址，然后通过MMU(内存管理单元)将虚拟地址转换为物理地址。因为只有程序的一部分加入到内存中，所以会出现所寻找的地址不在内存中的情况（CPU产生缺页异常），如果在内存不足的情况下，就会通过页面调度算法来将内存中的页面置换出来，然后将在外存中的页面加入到内存中，使程序继续正常运行。
可以看出，虚拟地址空间和虚拟内存的一个关键的因素是MMU（内存管理单元）。
现在一个程序的执行现在可以分为3部分：
1：CPU需要执行的语句的虚拟地址。
2：程序装入内存的部分
3：程序再外存中的部分
因为CPU是通过时间片轮转的方法使不同的程序并发执行的。所以在某一时刻只有一个程序占据CPU资源，CPU的最大的寻址空间为4G，所以说可以将每个程序可以看做独立占据4G的内存（只是可以看成，但是它并没有占据实际的4G内存）。而CPU是将虚拟地址空间里面的代码执行，如果在内存中寻找不到所需要的页面，就需要到外存中寻找，外存的这一部分，我们可以当成内存来使用，这也就是虚拟内存。虚拟地址空间不等于虚拟内存。虚拟地址空间是一个空间，不是真正存在的，只是通过CPU的寻址虚拟出来的一个范围。而虚拟内存是实实在在的硬盘的空间。
我看到了一个比较形象的比喻，假设4G个门牌号（4G的虚拟地址空间，并将这4G的虚拟空间进行分页），但是房子的数量（内存）少于门牌号的数量（4G的虚拟空间），那样就先把每个房子（内存）上挂一个门牌号（页），如果你要找一个门牌号(页)，就需要查找每个房子（内存），如果这个门牌号没有挂（页还没有被加入到内存中），那么就将一个房子的门牌号（页面置换到外存）摘下来，把你找的那个门牌号挂上（将外存的页加入内存），这样就找到了需要的门牌号（页）。
这是我将这个比喻综合了一下。CPU只需要说找哪一个页面，MMU就将这个页面翻译成物理地址，再通过页面调度机制来讲不在内存中的页加入到内存中。
我认为计算机使用的是一种各司其职的方法。
CPU老大只需要要虚拟地址中的一页，范围在0x00000000到0xFFFFFFFF，因为他的地址总线是32位，4G是他最大的能力，然后他就把任务分配给他的手下，CPU不需要知道他的手下是如何找到这一页，他只负责去要这一页和执行这些代码，然后他就和他的手下说“有招想去，没招死去”，他的手下必须要能找到这一页，然后内存非常有限，而CPU不管这个，只需要你能找到这一页让我执行就好，所以CPU的手下就将硬盘中的一部分当做内存，然后拿来骗CPU说，“这是我从内存中找到的”，然后CPU就去运行。如果访问的地方实在是不能找到，或者是没有权限，那么这个程序就真死了。程序员在开发的时候，因为程序员所编写的代码最终是要让CPU去执行，所以程序员也理所应当认为我有4G的内存空间，程序员把程序交给CPU，CPU就交给他手下。
所以说，他们每一层都不需要管对方是如何办到的，他们在乎的只有结果。他们各司其职，CPU认为我有4G内存空间的原因是因为CPU的地址总线为32位，最大的寻址能力是4G，而内存没有这个大，所以它想出来的办法是将硬盘的一部分拿来骗CPU，并给这块骗人的地方起了一个好名字，虚拟内存。这就是我的理解中的虚拟内存空间和虚拟内存的概念。
自身水平有限，希望大家矫正，谢谢！
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在cpu选择所缺页面时，若实际内存没有4G时，还要涉及到地址空间的扩展，还要和块表的扩展。这时的虚拟地址空间会更复杂。个人觉得 虚拟内存就是以时间换空间。但是虚拟地址原理和机制还是不大透彻。
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