什么是虚拟内存，虚拟内存及其作用详解

前面介绍了计算机系统的各种内存管理策略，例如分页，分段等，所有这些策略都有相同的目标，就是同时将多个进程保存在内存中，以便允许多道程序。然而，这些策略都倾向于要求每个进程在执行之前应完全处于内存中。

虚拟内存技术允许执行进程不必完全处于内存。这种方案的一个主要优点就是，程序可以大于物理内存。此外，虚拟内存将内存抽象成一个巨大的、统一的存储数组，进而实现了用户看到的逻辑内存与物理内存的分离。这种技术使得程序员不再担忧内存容量的限制。

虚拟内存还允许进程轻松共享文件和实现共享内存。此外，它为创建进程提供了有效的机制。然而，虚拟内存的实现并不容易，并且使用不当还可能会大大降低性能。

说了这么多，到底什么是虚拟内存呢？

内存管理算法的实现有一个基本要求，就是执行的指令应处于物理内存中。满足这一要求的第一种方法是，将整个逻辑地址空间置于物理内存中。动态加载可以帮助缓解这种限制，但它通常需要特殊的预防措施和程序员的额外工作。

指令应处于物理内存以便执行的要求，似乎是必要的和合理的，但它也是有缺点的，因为它将程序的大小限制为物理内存的大小。事实上，通过实际程序的研究会发现，在许多情况下并不需要将整个程序置于内存中。

例如，分析以下内容：

• 程序通常具有处理异常错误条件的代码。由于这些错误很少实际发生，所以这些代码几乎从不执行。
• 数组、链表和表等所分配的内存量通常多于实际需要值。按 100X100 个元素来声明的数组，可能实际很少用到大于 10X10 个的元素。虽然汇编程序的符号表可能有 3000 个符号的空间，但是程序平均可能用到的只有不到 200 个符号。
• 程序的某些选项和功能可能很少使用。例如，美国政府计算机的平衡预算程序多年来都没有使用过。

即使在需要整个程序的情况下，也可能并不同时需要整个程序。分段能够执行只有部分处于内存的程序，可以带来许多好处：

• 程序不再受物理内存的可用量所限制。用户可以为一个巨大的虚拟地址空间编写程序，从而简化了编程任务。
• 由于每个用户程序可占用较少的物理内存，因此可以同时运行更多的程序，进而增加 CPU 利用率和吞吐量，但没有增加响应时间或周转时间。
• 由于加载或交换每个用户程序到内存所需的 I/O 会更少，用户程序会运行得更快。因此，运行不完全处于内存的程序将使系统和用户都受益。

虚拟内存将用户逻辑内存与物理内存分开。这在现有物理内存有限的情况下，为程序员提供了巨大的虚拟内存（如图 1 所示）。

图 1 虚拟内存大于物理内存的图例

因此，虚拟内存使得编程更加容易，因为程序员不再需要担心有限的物理内存空间，只需要关注所要解决的问题。

进程的虚拟地址空间就是进程如何在内存中存放的逻辑（或虚拟）视图。通常，进程从某一逻辑地址（如地址 0）开始，连续存放，如图 2 所示。

图 2 虚拟地址空间

注意，在图 2 中，随着动态内存的分配，允许堆向上生长。类似地，随着子程序的 不断调用，还允许堆栈向下生长。堆与堆栈之间的巨大空白空间（或空洞）为虚拟地址的一部分，只有在堆与堆栈生长时，才需要实际的物理页。包括空白的虚拟地址空间称为稀疏地址空间。采用稀疏地址空间的优点是随着程序的执行，堆栈或堆会生长或需要加载动态链接库（或共享对象），此时可以填充这些空白。

前面讲过，物理地址可以按帧来组织，并且分配给进程的物理帧也可以不连续。这就需要内存管理单元（MMU）将逻辑页映射到内存的物理页帧。

图 3 采用虚拟内存的共享库

除了将逻辑内存与物理内存分开外，虚拟内存允许文件和内存通过共享页而为多个进程所共享。这带来了以下好处：

1. 通过将共享对象映射到虚拟地址空间中，系统库可以为多个进程所共享。尽管每个进程都将库视为其虚拟地址空间的一部分，但是驻留在物理内存中的库的实际页可由所有进程共享（图 3）。通常，库按只读方式映射到与其链接的进程空间。
2. 类似地，虚拟内存允许进程共享内存。进程之间可以通过使用共享内存来进行通信。虚拟内存允许一个进程创建一个内存区域，以便与其他进程共享。共享这个内存区域的进程认为，它是其虚拟地址空间的一部分，而事实上这部分是共享的，如图 3 所示。
3. 当通过系统调用 fork() 创建进程时，可以共享页面，从而加快进程创建。