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操作系统-虚拟内存篇

java 2025/9/2 5:08:24

虚拟内存

虚拟内存的设计目标是避免程序直接操作物理内存—— 若程序直接引用绝对物理地址，可能因地址冲突导致程序互相干扰，甚至引发系统崩溃。其实现核心是 “地址隔离与映射”：

虚拟内存的概念是由操作系统为每个程序分配一套虚拟地址，然后再由一个中间结构来记录虚拟地址到真实地址的映射关系

由此我们得出结论

操作系统使用CPU芯片中的内存管理单元（MMU）实现虚拟地址和真实地址的映射

那么MMU是怎么实现这种映射关系的呢

是通过内存分段和内存分页来实现的

内存分段的核心思路是：按程序的功能模块（如代码段、数据段、栈段）划分虚拟地址空间，每个模块对应一个 “段”，再通过段表实现虚拟段到物理段的映射。

虚拟地址通过段表和物理地址做映射，通过段号作为索引快速找到段基地址和段界限等信息。段基地址就是当前段在物理内存中的起始位置，加上偏移量就是这个虚拟地址需要的全部真实物理地址空间。然而分段的方式会导致2个问题的出现

内存碎片的产生这里就不细讲了，参考JVM中的标记-清除算法大概心里就清楚了。

不过内存碎片分为外部内存碎片和内部内存碎片，对于分段来说，是按程序大小分配的段空间，一般不存在内部内存碎片，只会存在外部内存碎片，也就是段段之间的空间无法再分配导致浪费的情况。

为了解决内存碎片的问题，引入了内存交换方法

内存交换的本质如下，a和b两个段之间有100m空间碎片无法被利用，将b传入磁盘再重传内存中，重传的时候直接紧跟a后面实现，对于这个内存交换空间也成为Swap空间，是从磁盘划分出来用于磁盘和内存的空间交换。

从这里我们大概也能知道为什么交换效率低了，空间碎片不可避免且如果启动关闭程序变得频繁，内存碎片增多，交换次数上升，而交换是通过磁盘IO来操作的，一切就不言而喻了。于是出现了内存分页

分页的本质是将虚拟内存和物理内存也按照固定大小进行连续划分，并且一一映射，减少了内存交换的数据数量。使用段的时候，每次交换都需要以段为单位，现在交换以页为单位

如果进程需要的虚拟内存无法找到对应物理内存，系统就会产生缺页异常来进入系统内核态，由内核分配物理空间并更新页表，恢复程序正常运行

内存分页机制下，分配内存的基本单位为页，因此可能会出现内部内存碎片的问题，不过也问题不大，页本身就很小，即使有大量这点碎片无足轻重。并且每个程序只能产生1个内部内存碎片，因此不可能出现碎片过多程序拖慢的问题

分页的映射实际上是和分段差不多的，不过做了优化，由于页很小，因此页数是很多的，如果做一一映射会导致大量内存用来存储页表

为了解决上诉问题，又引入了多级页表的概念，概念图如下

一级页表的痛点

以 32 位系统、4KB 页大小为例：

这会导致两个问题：

多级页表的优化逻辑

多级页表的核心是 “按需创建下级页表”—— 将虚拟地址的 “页号” 拆分为多个层级，仅为已使用的虚拟页创建下级页表，未使用的层级无需分配空间。以 “二级页表” 为例：

（3）二级页表的空间优势

仍以 32 位系统、4KB 页大小为例：

一级页表项数量 = 2^10 = 1024 个，总大小 = 1024 × 4 字节 = 4KB；
每个二级页表项数量 = 2^10 = 1024 个，总大小 = 4KB；若程序仅使用 10 个虚拟页，则仅需创建 1 个二级页表（4KB），无需创建其他 1023 个二级页表；
程序总页表空间 = 一级页表（4KB） + 1 个二级页表（4KB） = 8KB，远小于一级页表的 4MB，空间利用率大幅提升。