內(nèi)存是程序得以運行的重要物質基礎。如何在有限的內(nèi)存空間運行較大的應用程序，曾是困擾人們的一個難題。為解決這個問題，人們設計了許多的方案，其中最成功的當屬虛擬內(nèi)存技術。Linux作為一個以通用為目的的現(xiàn)代大型操作系統(tǒng)，當然也毫不例外的采用了優(yōu)點甚多的虛擬內(nèi)存技術。

為了運行比實際物理內(nèi)存容量還要大的程序，包括 Linux在內(nèi)的所有現(xiàn)代操作系統(tǒng)幾乎毫無例外的都采用了虛擬內(nèi)存技術。
虛擬內(nèi)存技術，可讓系統(tǒng)看上去具有比實際物理意義內(nèi)存大的多的內(nèi)存空間，并為實現(xiàn)多道程序的執(zhí)行創(chuàng)造了條件。

虛擬內(nèi)存的概念

總所周知，為了對內(nèi)存中的存儲單元進行識別，內(nèi)存中的每一個存儲單元都必須有一個確切的地址。而一臺計算機的處理器能訪問多大的內(nèi)存空間就取決于處理器的程序計數(shù)器，該計數(shù)器的字長越長，能訪問的空間就越大。

例如：對于程序計數(shù)器位數(shù)為32位的處理器來說，它的地址發(fā)生器所能發(fā)出的地址數(shù)目為2^32=4G個，于是這個處理器所能訪問的最大內(nèi)存空間就是4G。在計算機技術中，這個值就叫做處理器的
尋址空間或 尋址能力。

照理說，為了充分利用處理器的尋址空間，就應按照處理器的最大尋址來為其分配系統(tǒng)的內(nèi)存。如果處理器具有32位程序計數(shù)器，那么就應該按照下圖的方式，為其配備4G的內(nèi)存：

這樣，處理器所發(fā)出的每一個 地址都會有一個真實的 物理存儲單元與之對應;同時，每一個 物理存儲單元都有唯一的地址與之對應。這顯然是一種最理想的情況。

但遺憾的是，實際上計算機所配置內(nèi)存的實際空間常常小于處理器的尋址范圍，這是就會因處理器的一部分尋址空間沒有對應的物理存儲單元，從而導致處理器尋址能力的浪費。例如：如下圖的系統(tǒng)中，具有32位尋址能力的處理器只配置了256M的內(nèi)存儲器，這就會造成大量的浪費：

另外，還有一些處理器因外部地址線的根數(shù)小于處理器程序計數(shù)器的位數(shù)，而使地址總線的根數(shù)不滿足處理器的尋址范圍，從而處理器的其余尋址能力也就被浪費了。例如：Intel8086處理器的程序計數(shù)器位32位，而處理器芯片的外部地址總線只有20根，所以它所能配置的最大內(nèi)存為1MB：

在實際的應用中，如果需要運行的應用程序比較小，所需內(nèi)存容量小于計算機實際所配置的內(nèi)存空間，自然不會出什么問題。但是，目前很多的應用程序都比較大，計算機實際所配置的內(nèi)存空間無法滿足。

實踐和研究都證明：一個應用程序總是逐段被運行的，而且在一段時間內(nèi)會穩(wěn)定運行在某一段程序里。

這也就出現(xiàn)了一個方法：如下圖所示，把要運行的那一段程序自輔存復制到內(nèi)存中來運行，而其他暫時不運行的程序段就讓它仍然留在輔存。

當需要執(zhí)行另一端尚未在內(nèi)存的程序段(如程序段2)，如下圖所示，就可以把內(nèi)存中程序段1的副本復制回輔存，在內(nèi)存騰出必要的空間后，再把輔存中的程序段2復制到內(nèi)存空間來執(zhí)行即可：

在計算機技術中，把內(nèi)存中的程序段復制回輔存的做法叫做 換出，而把輔存中程序段映射到內(nèi)存的做法叫做換入。經(jīng)過不斷有目的的換入和換出，處理器就可以運行一個大于實際物理內(nèi)存的應用程序了。或者說，處理器似乎是擁有了一個大于實際物理內(nèi)存的內(nèi)存空間。于是，這個存儲空間叫做
虛擬內(nèi)存空間，而把真正的內(nèi)存叫做 實際物理內(nèi)存，或簡稱為 物理內(nèi)存。

那么對于一臺真實的計算機來說，它的虛擬內(nèi)存空間又有多大呢?計算機虛擬內(nèi)存空間的大小是由程序計數(shù)器的尋址能力來決定的。例如：在程序計數(shù)器的位數(shù)為32的處理器中，它的虛擬內(nèi)存空間就為4GB。

可見，如果一個系統(tǒng)采用了虛擬內(nèi)存技術，那么它就存在著兩個內(nèi)存空間： 虛擬內(nèi)存空間和 物理內(nèi)存空間。虛擬內(nèi)存空間中的地址叫做虛擬地址;而實際物理內(nèi)存空間中的地址叫做 實際物理地址或物理地址。處理器運算器和應用程序設計人員看到的只是虛擬內(nèi)存空間和虛擬地址，而處理器片外的地址總線看到的只是物理地址空間和物理地址。

存儲管理單元MMU

由于存在兩個內(nèi)存地址，因此一個應用程序從編寫到被執(zhí)行，需要進行兩次映射。第一次是映射到虛擬內(nèi)存空間，第二次時映射到物理內(nèi)存空間。在計算機系統(tǒng)中，第兩次映射的工作是由硬件和軟件共同來完成的。承擔這個任務的硬件部分叫做存儲管理單元MMU，軟件部分就是操作系統(tǒng)的 內(nèi)存管理模塊了。

在映射工作中，為了記錄程序段占用物理內(nèi)存的情況，操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理模塊需要建立一個
表格，該表格以虛擬地址為索引，記錄了程序段所占用的物理內(nèi)存的物理地址。這個虛擬地址/物理地址記錄表便是存儲管理單元MMU把虛擬地址轉化為實際物理地址的依據(jù)，記錄表與存儲管理單元MMU的作用如下圖所示：

綜上所述，虛擬內(nèi)存技術的實現(xiàn)，是建立在應用程序可以分成段，并且具有“在任何時候正在使用的信息總是所有存儲信息的一小部分”的局部特性基礎上的。它是通過用輔存空間模擬RAM來實現(xiàn)的一種使機器的作業(yè)地址空間大于實際內(nèi)存的技術。

從 處理器運算裝置和程序設計人員的角度來看，它面對的是一個用MMU、映射記錄表和物理內(nèi)存封裝起來的一個虛擬內(nèi)存空間，這個存儲空間的大小取決于處理器程序計數(shù)器的尋址空間。

可見，程序映射表是實現(xiàn)虛擬內(nèi)存的技術關鍵，它可給系統(tǒng)帶來如下特點：

系統(tǒng)中每一個程序各自都有一個大小與處理器尋址空間相等的虛擬內(nèi)存空間;

在一個具體時刻，處理器只能使用其中一個程序的映射記錄表，因此它只看到多個程序虛存空間中的一個，這樣就保證了各個程序的虛存空間時互不相擾、各自獨立的;

使用 程序映射表可方便地實現(xiàn)物理內(nèi)存的 共享。

至于Linux的虛擬內(nèi)存技術，會在下一篇文章中講述。