一 虚拟内存

在这种情况下，要想在内存中同时运行两个程序是不可能的。如果第一个程序在 2000 的位置写入一个新的值，将会擦掉第二个程序存放在相同位置上的所有内容，所以同时运行两个程序是根本行不通的，这两个程序会立刻崩溃。

操作系统是如何解决这个问题呢？                                                                                                   

这里关键的问题是这两个程序都引用了绝对物理地址，而这正是我们最需要避免的。 我们可以把进程所使用的地址「隔离」开来，即让操作系统为每个进程分配独立的一套「虚拟地址」，人人都有，大家自己玩自己的地址就行，互不干涉。但是有个前提每个进程都不能访问物理地址，至于虚拟地址最终怎么落到物理内存里，对进程来说是透明的，操作系统已经把这些都安排的明明白白了。 操作系统会提供一种机制，将不同进程的虚拟地址和不同内存的物理地址映射起来。 如果程序要访问虚拟地址的时候，由操作系统转换成不同的物理地址，这样不同的进程运行的时候，写入的是不同的物理地址，这样就不会冲突了。

于是，这里就引出了两种地址的概念：                                                                                           

 ●我们程序所使用的内存地址叫做虚拟内存地址                                                                               

 ●实际存在硬件里面的空间地址叫物理内存地址                                                                               

●操作系统引入了虚拟内存，进程持有的虚拟地址会通过 CPU 芯片中的内存管理单元（MMU）的  映射关系，来转换变成物理地址，然后再通过物理地址访问内存。                                                                                                   

二 内存分段 

虚拟内存分为若干个分段，其中包括代码段、数据段、栈段和堆段。这些部分通常是在程序执行过程中被动态分配和管理的，如果想再多分几个分段，可以通过操作系统提供的内存管理接口或者其他一些方法。

2.1内存分段原理

分段机制下的虚拟内存由两部分组成，段选择因子和段内偏移量。                                                 

●段选择因子：通常由索引和特权级别组成，索引部分指定了要访问的段在段描述符表中的索引位置。CPU使用段选择因子来定位段描述符表中对应的段描述符。                                                   

●段描述符表：分为全局描述符表和局部描述符表。每个进程都有自己的局部描述符表，局部描述符表存储在进程的PCB中。局部描述符表存储了进程的段描述符信息，比如段描述符的地址等。全局描述符表存在内存的特定位置，他管理所有进程的局部描述符表。                                             

●段描述符：段描述符包含了关于一个段的重要信息，如段的基地址(起始地址)，段的长度，段的访问权限(包括对该段的访问权限（读、写、执行）、段的类型（数据段、代码段）、特权级别等信息)等。                                                                                                                                         

●段内偏移量：段内偏移量是相对于所选段起始地址的偏移量，通常是一个32位的值，用于确定所选段内的具体地址。实际偏移量和程序中引用的偏移量相加，得到段内偏移量，将段选择子中的偏移量字段左移 4 位（乘以 16）得到实际偏移量。段内偏移量应该处于8和段边界区间，段边界区间保存在各个段的段描述符中。 最终的物理地址是段基地址加上段内偏移量。

2.2 内存分段的问题

内存分段机制的问题： 1)内存碎片问题 2)内存交换的效率低下问题   

 为什么会出现这样的问题？？                                                                                                        我们来看看这样一个例子。假设有 1G 的物理内存，用户执行了多个程序，其中： 游戏占用了 512MB 内存，浏览器占用了 128MB 内存，音乐占用了 256 MB 内存。 这个时候，如果我们关闭了浏览器，则空闲内存还有 1024 - 512 - 256 = 256MB。 如果这个 256MB 不是连续的，被分成了两段 128 MB 内存，这就会导致没有空间再打开一个 200MB 的程序。         

这里的内存碎片的问题共有两处地方：                                                                                           

1)外部内存碎片，也就是产生了多个不连续的小物理内存导致新的程序无法被载。                       

 2)内部内存碎片，程序所有的内存都被装载到了物理内存，但是这个程序有部分的内存可能并不是很常使用，这也会导致内存的浪费。                                                                                           针对上面两种内存碎片的问题，解决的方式会有所不同：                                                               

●解决外部内存碎片的问题就是内存交换。可以把音乐程序占用的那 256MB 内存写到硬盘上，然后再从硬盘上读回来到内存里。不过再读回的时候，我们不能装载回原来的位置，而是紧紧跟着那已经被占用了的 512MB 内存后面。这样就能空缺出连续的 256MB 空间，于是新的 200MB 程序就可以装载进来。这个内存交换空间，在 Linux 系统里，也就是我们常看到的 Swap 空间，这块空间是从硬盘划分出来的，用于内存与硬盘的空间交换。                                                                   

●再来看看，分段为什么会导致内存交换效率低的问题？ 对于多进程的系统来说，用分段的方式，内存碎片是很容易产生的，产生了内存碎片，那不得不重新 Swap 内存区域，这个过程会产生性能瓶颈。 因为硬盘的访问速度要比内存慢太多了，每一次内存交换，我们都需要把一大段连续的内存数据写到硬盘上。                                                         

所以，如果内存交换的时候，交换的是一个占内存空间很大的程序，这样整个机器都会显得卡顿。 为了解决内存分段的内存碎片和内存交换效率低的问题，就出现了内存分页。

 三 内存分页

3.1 内存分页背景     

解决内存分段的缺陷，分段的好处就是能产生连续的内存空间，但是会出现内存碎片和内存交换的空间太大的问题。 要解决这些问题，那么就要想出能少出现一些内存碎片的办法。另外，当需要进行内存交换的时候，让需要交换写入或者从磁盘装载的数据更少一点，这样就可以解决问题了。这个办法，也就是内存分页。

3.2 内存分页机制

分页是把整个虚拟和物理内存空间切成一段段固定尺寸的大小。这样一个连续并且尺寸固定的内存空间，我们叫页。在 Linux 下，每一页的大小为 4KB。                                                                   

●虚拟地址与物理地址之间通过页表来映射。                                                                                   

●页表是存储在内存里的，内存管理单元 （MMU）就做将虚拟内存地址转换成物理地址的工作。   

分页是怎么解决分段的内存碎片、内存交换效率低的问题？                                                           由于内存空间都是预先划分好的，也就不会像分段会产生间隙非常小的内存，这正是分段会产生内存碎片的原因。而采用了分页，那么释放的内存都是以页为单位释放的，也就不会产生无法给进程使用的小内存。 如果内存空间不够，操作系统会把其他正在运行的进程中的「最近没被使用」的内存页面给释放掉，也就是暂时写在硬盘上，称为换出。一旦需要的时候，再加载进来，称为换入。所以，一次性写入磁盘的也只有少数的一个页或者几个页，不会花太多时间，内存交换的效率就相对比较高。更进一步地，分页的方式使得我们在加载程序的时候，不再需要一次性都把程序加载到物理内存中。我们完全可以在进行虚拟内存和物理内存的页之间的映射之后，并不真的把页加载到物理内存里，而是只有在程序运行中，需要用到对应虚拟内存页里面的指令和数据时，再加载到物理内存里面去。                       

分页机制下，虚拟地址和物理地址是如何映射的？                                                                         在分页机制下，虚拟地址分为两部分，页号和页内偏移。页号作为页表的索引，页表包含物理页每页所在物理内存的基地址，这个基地址与页内偏移的组合就形成了物理内存地址， 总结一下，对于一个内存地址转换，其实就是这样三个步骤：                                                                           

●把虚拟内存地址，切分成页号和偏移量；                                                                                       

●根据页号，从页表里面，查询对应的物理页号；                                                                             

●直接拿物理页号，加上前面的偏移量，就得到了物理内存地址。

四 段页式内存管理

内存分段和内存分页并不是对立的，它们是可以组合起来在同一个系统中使用的，那么组合起来后，通常称为段页式内存管理。 段页式内存管理实现的方式：                                                       

●先将程序划分为多个有逻辑意义的段，也就是前面提到的分段机制；                                           

●接着再把每个段划分为多个页，也就是对分段划分出来的连续空间，再划分固定大小的页这样，地址结构就由段号、段内页号和页内位移三部分组成。                                                                   

●用于段页式地址变换的数据结构是每一个程序一张段表，每个段又建立一张页表，段表中的地址是页表的起始地址，而页表中的地址则为某页的物理页号。                                                             

●段页式地址变换中要得到物理地址须经过三次内存访问：                                                                         第一次访问段表，得到页表起始地址；                                                                                               第二次访问页表，得到物理页号；                                                                                                     第三次将物理页号与页内位移组合，得到物理地址。 可用软、硬件相结合的方法实现段页式地址变换，这样虽然增加了硬件成本和系统开销，但提高了内存的利用率。

四 Linux内存管理

在 Linux 操作系统中，虚拟地址空间的内部又被分为内核空间和用户空间两部分，不同位数的系统，地址空间的范围也不同。比如最常见的 32 位和 64 位系统。                                                 

●32 位系统的内核空间占用 1G，位于最高处，剩下的 3G 是用户空间。                                     

●64 位系统的内核空间和用户空间都是 128T。                                       

内核空间与用户空间的区别：                                                                                                           

●进程在用户态时，只能访问用户空间内存。                                                                                     

●只有进入内核态后，才可以访问内核空间的内存。                                                                         

●虽然每个进程都各自有独立的虚拟内存，但是每个虚拟内存中的内核地址，其实关联的都是相同的物理内存。这样，进程切换到内核态后，就可以很方便地访问内核空间内存。虽然每个进程都有自己的虚拟内存，但是在内核空间中，关联的确实是相同的物理内存。也就是说，在物理内存中，操作系统内核的代码和数据结构通常有固定的位置或范围。这意味着，无论哪个进程切换到内核态，都可以访问相同的内核地址空间。内核空间的内容有操作系统内核的各种功能和服务的实现代码，如进程调度、内存管理。内核空间中还存储了许多数据结构，用于管理系统资源和状态，这些数据结构包括PCB等，还有一些内容