操作系统-虚拟内存篇
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
- 程序使用的内存地址为虚拟内存地址
- 硬件使用的内存地址为物理内存地址
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
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
- 内存交换效率低
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
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：
- 虚拟地址空间总大小 = 4GB，每页 4KB，因此虚拟页数量 = 4GB / 4KB = 1,048,576 个（约 100 万）；
- 若采用 “一级页表”，每个页表项需 4 字节（存储物理页号等信息），则一级页表总大小 = 100 万 × 4 字节 = 4MB。
这会导致两个问题：
- 空间浪费：每个程序无论实际使用多少虚拟页，都需分配 4MB 页表空间
- 内存占用高：若系统同时运行 100 个程序，仅页表就需占用 400MB 物理内存，资源消耗过大。
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：
- 虚拟地址拆分：将 32 位虚拟地址拆分为 “一级页号（10 位） + 二级页号（10 位） + 页内偏移量（12 位）”；
- 一级页表作用：仅存储 “一级页号 → 二级页表基地址” 的映射，每个一级页表项对应一个二级页表；
- 二级页表作用：存储 “二级页号 → 物理页号” 的映射，仅为已使用的虚拟页创建二级页表项。
（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。
段页式内存管理
分段的优势是 “按功能模块隔离地址”，分页的优势是 “无外部碎片、交换效率高”。通过 “段页式内存管理”—— 先分段，再分页，实现完美结合
1. 段页式的核心逻辑
将虚拟地址空间先按 “段” 划分（如代码段、数据段），每个段再按 “页” 划分（固定大小的虚拟页），物理内存仅按 “页” 划分。映射过程分为三步：
- 段表查询：虚拟地址中的 “段号” 查询段表，获取该段的 “页表基地址”（每个段对应一个独立的页表）；
- 页表查询：用虚拟地址中的 “页号” 查询该段对应的页表，获取 “物理页号”
- 计算物理地址：物理地址 = 物理页号 × 页大小 + 页内偏移量。
2. 段页式的优势与应用
- Windows、Linux、macOS 这些主流操作系统均采用段页式内存管理，平衡了地址隔离性、内存利用率与访问性能；
- 只有很少的内部内存碎片且提高了交换效率，并且有了分段的优势，程序之间的隔离性提高