虚拟内存

• 问题：单片机的CPU直接操作内存的【物理地址】，在这种情况下，内存中无法同时运行两个程序。假设程序A在200写入一个新值，就会擦掉程序B存放在相同位置上的所有内容。操作系统如何解决这个问题？

• 解：引入虚拟内存。即让操作系统为每个进程分配独立的一套【虚拟地址】，如果程序访问虚拟地址时，由操作系统转换成不同的物理地址，这样不同程序运行，写入的是不同的物理地址，冲突解决了。

• 问题：操作系统如何管理虚拟地址与物理地址之间的关系？

• 解：主要有两种方式，分别是【内存分段】和【内存分页】。

• 问题：虚拟地址和逻辑地址？？？

• 解： 来自知乎的解答

内存分段

• 程序是由若干个逻辑分段组成的，可由代码分段、数据分段、栈段、堆段组成。不同的段有不同的属性，所以用分段的形式把这些段分离出来

• 问题：分段机制下，虚拟地址和物理地址如何映射？

• 解：段基地址+段内偏移量=物理地址。

• 详解：分段机制下，虚拟地址由两部分组成，段选择因子和段内偏移量。

• 【段选择因子】保存在段寄存器里面。段选择因子里最重要的是【段号】，用作段表索引。【段表】里保存的是这个段的基地址、界限和特权等级等。

• 虚拟地址中的【段内偏移量】应该位于 0 和段界限之间，如果段内偏移量是合法的，就将段基地址+段内偏移量=物理内存地址。
  

• 问题：假设有 1G 的物理内存，用户执行了多个程序，其中：游戏占用了 512MB 内存、浏览器占用了 128MB 内存、音乐占用了 256 MB 内存。这个时候，如果我们关闭了浏览器，则空闲内存还有 1024 - 512 - 256 = 256MB。如果这个 256MB 不是连续的，被分成了两段 128 MB 内存，这就会导致没有空间再打开一个 200MB 的程序。这时候就产生了内存碎片问题。何解？

• 解：内存碎片有两种，相应的解决方式也不同。

• 外部内存碎片，也就是产生了多个不连续的小物理内存，导致新的程序无法被装载；

• 解：把音乐程序占用的那 256MB 内存写到硬盘上，然后再从硬盘上读回来到内存里。不过再读回的时候，我们不能装载回原来的位置，而是紧紧跟着那已经被占用了的 512MB 内存后面。这样就能空缺出连续的 256MB 空间，于是新的 200MB 程序就可以装载进来。

• 内部内存碎片，程序所有的内存都被装载到了物理内存，但是这个程序有部分的内存可能并不是很常使用，这也会导致内存的浪费；

• 解：不知道，文章没有写，来自****大佬的解答

• 问题：分段为什么会导致内存交换效率低的问题？何解？

• 对于多进程的系统来说，用分段的方式，内存碎片是很容易产生的，产生了内存碎片，那不得不重新 Swap 内存区域，这个过程会产生性能瓶颈。

• 因为硬盘的访问速度要比内存慢太多了，每一次内存交换，我们都需要把一大段连续的内存数据写到硬盘上。

• 所以，如果内存交换的时候，交换的是一个占内存空间很大的程序，这样整个机器都会显得卡顿。

• 解：为了解决内存分段的内存碎片和内存交换效率低的问题，就出现了【内存分页】

内存分页

• 分页是把整个虚拟和物理内存空间切成一段段固定尺寸的大小。这样一个连续并且尺寸固定的内存空间，我们叫页（Page）。在 Linux 下，每一页的大小为 4KB。

• 页表实际上存储在 CPU 的内存管理单元 （MMU） 中，于是 CPU 就可以直接通过 MMU，找出要实际要访问的物理内存地址。

• 而当进程访问的虚拟地址在页表中查不到时，系统会产生一个缺页异常，进入系统内核空间分配物理内存、更新进程页表，最后再返回用户空间，恢复进程的运行。

• 问题：分页是怎么解决分段的内存碎片、内存交换效率低的问题？

• 解内存碎片：由于内存空间都是预先划分好的，也就不会像分段会产生间隙非常小的内存，这正是分段会产生内存碎片的原因。而采用了分页，那么释放的内存都是以页为单位释放的，也就不会产生无法给进程使用的小内存。

• 解交换效率低：如果内存空间不够，操作系统会把其他正在运行的进程中的【最近没被使用】的内存页面给释放掉，也就是暂时写在硬盘上，称为换出（Swap Out）。一旦需要的时候，再加载进来，称为换入（Swap In）。所以，一次性写入磁盘的也只有少数的一个页或者几个页，不会花太多时间，内存交换的效率就相对比较高。

• 问题：分页机制下，虚拟地址和物理地址是如何映射的？

• 解：基地址+页内偏移=物理内存地址。 在分页机制下，虚拟地址分为两部分，页号和页内偏移。页号作为页表的索引，页表包含物理页每页所在物理内存的基地址，基地址+页内偏移=物理内存地址，见下图。

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