了解虚拟地址，虚拟内存和分页

Question

我一直在学习这些主题并阅读了很多文章和书籍，但他们都缺乏一些补充信息，让我更加困惑。所以在这里，我想在我提出问题时解释我所知道的。希望这个主题对我这样的人有用。如有必要，我也想学习我的知识和更正的有效性。

虚拟内存

有些文章称“虚拟内存是硬盘的一些空间，它模拟物理内存，因此我们可以拥有比实际更多的内存。”其他一些文章说“虚拟内存是物理内存（RAM）的组合，硬盘的一部分就像物理内存和页面表。”然而它们是不同的东西，我不明白为什么有这样的不同解释

让我们继续第二个解释，因为维基百科也是如何描述虚拟记忆的。此时虚拟地址是有意义的，因为我们直接使用虚拟内存中的地址而不是物理内存。

顺便说一下，我的Mac说我有8GB的物理内存和8GB的虚拟内存。在这种情况下，VM是否包含物理内存，还是HD用作内存的空间量？我的程序有16GB可用内存吗？

问题1：

Intel i5具有36位地址总线，这意味着您可以寻址64GB内存。假设我在我的电脑上安装了4GB RAM。但是，我的程序可能不知道所安装内存的大小，因为它将在具有不同内存大小的许多不同系统上使用。这就是虚拟内存变得方便的地方。它抽象出安装的内存的实际大小。

然而，当我的程序想要访问内存地址0xFFFFFFFFF时会发生什么？我只安装了4GB，也许还有一些高清内存空间。

我对这个问题有两个理论：

1。由于页面表由操作系统维护，操作系统会对该地址进行解码并找出该页面，并检查页面表中的该页面，以查看它们是否具有与之关联的物理地址它（有效和无效标志），如果是，则转到物理地址，页面入口指向虚拟地址中定义的物理内存+偏移量并带来该值。否则会发生页面错误，操作系统在辅助存储中查找该页面，获取它并将其放入内存并更新页面表。

2。它抛出一个OutOfMemory类型的异常，它说我没有任何给定地址可以解决的内存。

第一个理论的缺点是程序想要使用64GB内存时会发生什么？然后我们需要有60GB的高清内存空间，因为我们只有4GB。但是，在MAC屏幕截图中，MAC告诉我虚拟内存只有8GB。

问题2：

如何将进程放入虚拟内存？我的意思是每个进程都有可用的0x0 - 0xFFFFFFFFF虚拟内存空间，或者只有一个虚拟内存地址空间可以放置所有进程吗？

如果每个进程都假定他们拥有可用的所有内存，那么回忆如下：

如果只有一个虚拟内存概念，那么它将如下所示：

Page Table

因此，页表是位于物理地址和虚拟地址之间的数据结构。它是一个关联数组（或类似字典），对于每个页面（键），都有一个物理地址关联（值）。

操作系统使用MMU（内存管理单元）执行从虚拟地址到物理地址的转换。

问题3：

是否有一个巨大的巨型页面表，其中包含每个进程的所有页面，或者每个进程都有自己的页面表？

寻呼

分页是一种内存管理方法。虚拟内存和物理内存由内存管理单元分为页面（固定和相同大小的块）。当您在内存和辅助存储之间交换页面时，此技术非常有用，以便您可以在它们之间交换页面。例如，您的程序请求位于地址中的数据。但是，程序使用的地址是虚拟地址，MMU使用页表对其进行转换。在此过程中，MMU检查页表是否在页表中存在请求，如果不存在，操作系统从辅助存储器获取，并更新页表。

问题4：

假设一个进程从一个地址请求数据，该地址被转换为已经有一些数据的物理地址。如何知道数据不属于请求者进程，应该用二级存储中的数据替换？

例如，有一个脏位用于是否将该页面写回硬盘，但我不认为这是决定所有者进程的原因。

Answer 1

Answer 2

有些人使用术语“虚拟内存”就好像它与页面文件同义一样，因为页面文件代表分配的内存中不是“真实”内存（即RAM）的部分。但大多数人认为“虚拟内存”是操作系统为程序提供的整个抽象层，它结合了RAM和页面文件。

我不确定Mac OS会支持哪些这些定义，尽管您的计算机似乎不会分配任何分页内存，所以我猜它可能正在添加8GB的分页内存到8GB的实际内存，总共16GB的可用（虚拟）内存。

请记住，因为操作系统管理内存分配和释放请求，所以可以随心所欲地执行任何操作。我的理解是，大多数操作系统为每个进程都有不同的内存分配表，因此它们可以为多个程序提供相同的虚拟内存地址，但这些内存地址将映射到内存中的不同实际块。因此，64位操作系统可以将最大数量的32位地址分配给多个32位程序 - 它们并不仅限于相同的32位内存地址。

但是，存在限制：操作系统可以将限制设置为允许页面文件增长到的大小。因此，除非您故意告诉操作系统这样做，否则它可能不会有64 GB的总虚拟内存。即使它确实如此，它也无法为每个程序分配所有64 GB，因此在操作系统在OutOfMemory为您的程序分配虚拟地址之前，您很可能会遇到0xFFFFFFFFF错误。 （事实上​​，我不会惊讶地发现0xFFFFFFFFF实际上是一个保留的错误代码位置，类似于0x0。）但是因为你的程序知道的地址与true无关内存地址，你有可能最终被分配一个你的程序认为是0xFFFFFFFFF的内存地址，即使操作系统没有在那么大的内存附近使用。

  

是否有一个巨大的巨型页面表，其中包含每个进程的所有页面，或者每个进程都有自己的页面表？

可能两者......然后是一些。

1. 每个进程都有自己的私有内存表，操作系统将主动阻止您的程序访问尚未分配给该表的内存地址。
2. 还有共享内存这样的东西，因此需要使用相同信息的两个进程可以创建共享内存区域，并且两个内存空间中的地址都可以访问。
3. 操作系统本身显然需要有一些方法来跟踪可用的总内存量，地址空间是空闲/使用的，以及哪些虚拟内存块已分配到RAM或页面文件中的哪些位置。 / LI>

   因此，假设一个进程已经在地址0x00000002分配了内存，当它从该内存地址加载该值时，操作系统可能会发现它实际上映射到实际内存地址{{1这是内存地址，其值实际上将被提取到CPU寄存器中。或者，它可以意识到它已经将包含该地址的页面移动到某个地方的磁盘上，在这种情况下，操作系统将找到一个空的内存部分，并首先将页面的数据从磁盘加载到该内存中。 （同样，此内存地址与程序请求的原始内存地址没有任何关联。）

   如果没有任何空内存来拉取页面，操作系统首先必须将一些数据从内存中移出并进入页面文件。它试图智能地确定哪个内存在不久的将来最不可能使用。但有时候你最终会在内存被交换到磁盘后不断被请求，只能替换程序要求的下一块内存。这种“颠簸”导致计算机内存不足的情况真的，真的慢，因为磁盘访问比内存访问慢几个数量级。