操作系统——虚拟内存

一、虚拟内存是什么？

虚拟内存类似一个桥梁，原来程序直接访问物理内存读取数据，现在程序直接访问虚拟内存，由虚拟内存再访问物理内存。

使用虚拟内存的好处：

1. 隔离进程、提高内存使用安全性：每个进程直接访问虚拟内存，就像拥有了整个内存空间，实现了不同进程之间的相互隔离，无需担心因编程错误导致地址越界，影响其他进程。
2. 简化内存管理：程序员可以使用连续的虚拟地址进行编程，而无需关注虚拟地址与物理地址的映射关系，简化了内存管理。
3. 提升了物理内存的利用率：有了虚拟地址，操作系统只需要将进程正在使用的部分数据加载到物理内存。
4. 多个进程共享物理内存：进程运行过程中，会加载一些动态库，这些动态库对于每个进程而言都是公用的。
5. 提供更大的可使用内存空间：物理内存不够用时，可以将磁盘充当内存。

二、虚拟地址—>物理地址

虚拟地址到物理地址的映射通过MMU，即内存管理单元实现。
映射机制主要分为：分段机制、分页机制和段页机制。

2.1 分段机制

段：一段连续的物理内存，不同段的内存大小可以不同。
虚拟地址：由段号+段内偏移量组成，通过段表进行映射。

缺点：会存在内存外部碎片。
因为一个进程对应一个段，而段内部地址连续，就会出现多个段空间被回收后，由于内存小且相互不连续，而无法分配给需要大内存空间的进程。

2.2 分页机制

分页机制，把物理内存划分成连续等长的物理页，虚拟内存也划分成连续等长的虚拟页。通过页表进行映射。
虚拟地址：由页号+页内偏移量组成。

2.3 页缺失

1. 硬性页缺失：物理内存中没有对应的物理页，需要从磁盘中加载到内存，而后由MMU建立虚拟页和物理页的映射关系。
2. 软性页缺失：物理内存中有对应的物理页，但是虚拟页还未和物理页建立映射。

2.4 页面置换算法

当发生硬性页缺失时，如果物理内存中没有空闲的物理页面可用的话。操作系统就必须将物理内存中的一个物理页淘汰出去，这样就可以腾出空间来加载新的页面了。

1. 最佳页面置换算法
2. 先进先出页面置换算法
3. 最近最久未使用页面置换算法
4. 最少使用页面置换算法
5. 时钟页面置换算法