什么是虛擬內(nèi)存?虛擬內(nèi)存是什么呢?不少小白用戶都不知道什么是虛擬內(nèi)存?對于什么是虛擬內(nèi)存，現(xiàn)在小編就來跟大家介紹下虛擬內(nèi)存。

什么是虛擬內(nèi)存呢？先查一下維基百科：

虛擬內(nèi)存是計算機系統(tǒng)內(nèi)存管理的一種技術。它使得應用程序認為它擁有連續(xù)可用的內(nèi)存（一個連續(xù)完整的地址空間），而實際上，它通常是被分隔成多個物理內(nèi)存碎片，還有部分暫時存儲在外部磁盤存儲器上，在需要時進行數(shù)據(jù)交換。與沒有使用虛擬內(nèi)存技術的系統(tǒng)相比，使用這種技術的系統(tǒng)使得大型程序的編寫變得更容易，對真正的物理內(nèi)存（例如RAM）的使用也更有效率。

對虛擬內(nèi)存的定義是基于對地址空間的重定義的，即把地址空間定義為「連續(xù)的虛擬內(nèi)存地址」，以借此「欺騙」程序，使它們以為自己正在使用一大塊的「連續(xù)」地址。

也就是說虛擬內(nèi)存能提供一大塊連續(xù)的地址空間，對程序來說它是連續(xù)的，完整的，實際上虛擬內(nèi)存是映射在多個物理內(nèi)存碎片上，還有部分映射到了外部磁盤存儲器上。虛擬內(nèi)存有以下兩個優(yōu)點：

1.虛擬內(nèi)存地址空間是連續(xù)的，沒有碎片

2.虛擬內(nèi)存的最大空間就是cup的最大尋址空間，不受內(nèi)存大小的限制，能提供比內(nèi)存更大的地址空間

虛擬內(nèi)存是如何工作的呢？

創(chuàng)建一個進程時，操作系統(tǒng)（32位系統(tǒng)）會為該進程分配一個4GB 大小的虛擬內(nèi)存。 之所以是4GB ，是因為在 32 位的操作系統(tǒng)中，一個指針長度是 4 字節(jié)（32位， 2的32次方個地址尋址能力是從 0x00000000~0xFFFFFFFF ）即為 4GB 大小的容量。

一個進程用到的虛擬地址是由內(nèi)存區(qū)域表來管理的，實際用不了4G。而用到的內(nèi)存區(qū)域，會通過頁表映射到物理內(nèi)存。所以每個進程都可以使用同樣的虛擬內(nèi)存地址而不沖突，因為它們的物理地址實際上是不同的。比如進程A的0x12345678虛擬地址和進程B的的0x12345678虛擬地址映射的物理地址是不同的的。

我們現(xiàn)在使用的64位系統(tǒng)，虛擬內(nèi)存最大有多大呢？是2的64次方嗎？那將會有16EB的虛擬地址空間，1EB有多大呢？1EB = 1,000 PB = 1,000,000 TB =  1,000,000,000 GB 毫無疑問這是個非常巨大的數(shù)字，我們的系統(tǒng)根本不需要如此巨大的虛擬內(nèi)存?，F(xiàn)代的操作系統(tǒng)，比如，Windows在AMD64上的實現(xiàn)僅應用了最大256TB的虛擬內(nèi)存。

cup要訪問虛擬內(nèi)存地址時，需要經(jīng)過地址翻譯成物理地址才能訪問。比如下圖（來自《深入理解計算機系統(tǒng)》）中，cpu要訪問虛擬地址4100，需要通過專用的硬件內(nèi)存管理單元（memory management unit）MMU來翻譯成對應的內(nèi)存物理地址4，然后cpu在內(nèi)存地址4的位置上取到數(shù)據(jù)返回。

虛擬內(nèi)存被分為一塊塊固定的大小，成為虛擬頁（Virtual Page）簡稱VP，對應的物理內(nèi)存也被分成一塊塊同樣的大小，成為物理頁（Physical Page）簡稱PP。磁盤和內(nèi)存之間是以頁為單位進行數(shù)據(jù)交換的。

cpu怎么知道某一個虛擬頁是否緩存了數(shù)據(jù)？緩存在內(nèi)存中還是磁盤中呢？

這就需要一張表格來記錄了，這就是頁表。

頁表第一列valid 如果是0表示該虛擬頁未被緩存，1表示已經(jīng)緩存了數(shù)據(jù)。

第二列藍色的表示數(shù)據(jù)緩存在內(nèi)存中，白色的表示數(shù)據(jù)緩存在磁盤中。

頁命中

當cpu要訪問PTE2（箭頭所指的位置）的數(shù)據(jù)時，發(fā)現(xiàn)valid標志位為1，所以表示該虛擬頁已經(jīng)被緩存了，由于頁表中的地址指向內(nèi)存中的VP2數(shù)據(jù)塊，所以cpu直接從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)VP2，這種情況就叫做頁命中。

缺頁

當cpu要訪問PTE3（箭頭所指的位置）的數(shù)據(jù)時，發(fā)現(xiàn)valid標志位為0，所以表示該虛擬頁未被緩存，這時會觸發(fā)一個缺頁異常，cup根據(jù)頁表第二列的指針找到磁盤中對應的數(shù)據(jù)塊VP3，然后根據(jù)規(guī)則選擇一個內(nèi)存中的犧牲頁，把VP3覆蓋到內(nèi)存中。

上圖中的內(nèi)存中的vp4被替換成了VP3，valid的值從0變成1。

缺頁異常返回后，會重啟缺頁指令，并更新虛擬地址，cpu再次訪問PTE3的時候就能命中頁，取到數(shù)據(jù)了。

總結

當每個進程創(chuàng)建的時候，內(nèi)核會為每個進程分配虛擬內(nèi)存，這個時候數(shù)據(jù)和代碼還在磁盤上，當運行到對應的程序時，進程去尋找頁表，如果發(fā)現(xiàn)頁表中地址沒有存放在物理內(nèi)存上，而是在磁盤上，于是發(fā)生缺頁異常，于是將磁盤上的數(shù)據(jù)拷貝到物理內(nèi)存中并更新頁表，下次再訪問該虛擬地址時就能命中了。

現(xiàn)在你是不是對虛擬內(nèi)存的工作原理更加了解了呢？