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title: "虚拟内存和物理内存的区别和联系"
author: "Perrin Yong"
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# 虚拟内存和物理内存的区别和联系

# 虚拟内存和物理内存的区别和联系

> 创建时间：2020/3/17 23:01

#### 我如何完整的回答：

物理内存就是真实的硬件设备（比如内存条）提供的内存，虚拟内存是为了解决物理内存不足的问题，利用磁盘空间虚拟出来的一块逻辑内存。
32位平台下每个进程运行时都会得到4G的虚拟内存。它通常是被分隔成多个物理内存碎片，还有一部分存储在外部磁盘存储器上，在需要时进行数据交换。
每次我要访问地址空间上的某一个地址，都需要把地址翻译为实际物理内存地址
通过页表来记录，哪些地址空间上的数据在物理内存上，哪些不在。
如果不在就会发生缺页中断。操作系统会将硬盘里对应的页换入内存。
如果内存已经满了，就通过页面置换算法来决定把内存中的哪一块而进行换进换出。

#### 概念

物理内存：真实的硬件设备（内存条）

虚拟内存：利用磁盘空间虚拟出的一块逻辑内存，用作虚拟内存的磁盘空间被称为交换空间（Swap Space）。（为了满足物理内存的不足而提出的策略）

参考链接：https://blog.csdn.net/lvyibin890/article/details/82217193

#### 为什么需要物理内存

没有虚拟内存概念的时候，程序寻址用的都是物理地址。程序能寻址的范围是有限的，这取决于CPU的地址线条数。比如在32位平台下，寻址的范围是2^32也就是4G。
**每个进程运行时都会得到4G的虚拟内存**

>   * 内存不足，没有得到分配资源的进程就只能等待。进程频繁的装入内存的操作是很没效率的。
>   * 指令都是直接访问物理内存的，那么我这个进程就可以修改其他进程的数据，甚至会修改内核地址空间的数据
>   * 内存时随机分配的，所以程序运行的地址也是不正确的
>

**进程得到的这4G虚拟内存是一个连续的地址空间（这也只是进程认为），而实际上，它通常是被分隔成多个物理内存碎片，还有一部分存储在外部磁盘存储器上，在需要时进行数据交换。**

#### 进程访问一个地址的过程

  1. 每次我要访问地址空间上的某一个地址，都需要把地址翻译为实际物理内存地址
  2. 所有进程共享这整一块物理内存，每个进程只把自己目前需要的虚拟地址空间映射到物理内存上
  3. 进程需要知道哪些地址空间上的数据在物理内存上，哪些不在（可能这部分存储在磁盘上），还有在物理内存上的哪里，这就需要通过页表来记录
  4. 页表的每一个表项分两部分，第一部分记录此页是否在物理内存上，第二部分记录物理内存页的地址（如果在的话）
  5. 当进程访问某个虚拟地址的时候，就会先去看页表，如果发现对应的数据不在物理内存上，就会发生缺页异常
  6. 缺页异常的处理过程，操作系统立即阻塞该进程，并将硬盘里对应的页换入内存，然后使该进程就绪，如果内存已经满了，没有空地方了，那就找一个页覆盖，至于具体覆盖的哪个页，就需要看操作系统的页面置换算法是怎么设计的了。

#### 虚拟内存是怎么工作的

当每个进程创建的时候，内核会为进程分配4G的虚拟内存，当进程还没有开始运行时，这只是一个内存布局。实际上并不立即就把虚拟内存对应位置的程序数据和代码（比如.text .data段）拷贝到物理内存中，只是建立好 **虚拟内存** 和 **磁盘文件** 之间的映射就好（叫做 **存储器映射** ）。这个时候数据和代码还是在磁盘上的。当运行到对应的程序时，进程去寻找页表，发现页表中地址没有存放在物理内存上，而是在磁盘上，于是发生 **缺页异常** ，于是将磁盘上的数据拷贝到物理内存中。

另外在进程运行过程中，要通过 **malloc来动态分配内存** 时，也 **只是分配了虚拟内存** ，即为这块虚拟内存对应的页表项做相应设置，当进程真正访问到此数据时，才引发缺页异常。

可以认为虚拟空间都被映射到了磁盘空间中（事实上也是按需要映射到磁盘空间上，通过mmap， **mmap** 是用来建立 **虚拟空间和磁盘空间的映射关系** 的）

#### 利用虚拟内存机制的优点

  1. 既然每个进程的内存空间都是一致而且固定的（32位平台下都是4G），所以链接器在链接可执行文件时，可以设定内存地址，而不用去管这些数据最终实际内存地址，这交给内核来完成映射关系
  2. 当不同的进程使用同一段代码时，比如库文件的代码，在物理内存中可以只存储一份这样的代码，不同进程只要将自己的虚拟内存映射过去就好了，这样可以节省物理内存
  3. 在程序需要分配连续空间的时候，只需要在虚拟内存分配连续空间，而不需要物理内存时连续的，实际上，往往物理内存都是断断续续的内存碎片。这样就可以有效地利用我们的物理内存