一個系統(tǒng)中的進程是與其他進程共享CPU和主存資源的。隨著對CPU需求的增長，進程以某種合理的平滑的方式慢了下來。這里給大家分享一些關于全面解析虛擬內存，希望對大家能有所幫助。

虛擬內存空間

1.保留區(qū)(受保護的地址)

保留區(qū)即為受保護的地址，大小為128M，位于虛擬地址空間的最低部分，未賦予物理地址。任何對它的引用都是非法的，用于捕捉使用空指針和小整型值指針引用內存的異常情況。

它并不是一個單一的內存區(qū)域，而是對地址空間中受到操作系統(tǒng)保護而禁止用戶進程訪問的地址區(qū)域的總稱。大多數操作系統(tǒng)中，極小的地址通常都是不允許訪問的，如NULL。C語言將無效指針賦值為0也是出于這種考慮，因為0地址上正常情況下不會存放有效的可訪問數據。。

2.代碼段

代碼段也稱正文段或文本段，通常用于存放程序執(zhí)行代碼(即CPU執(zhí)行的機器指令)。一般C語言執(zhí)行語句都編譯成機器代碼保存在代碼段。通常代碼段是可共享的，因此頻繁執(zhí)行的程序只需要在內存中擁有一份拷貝即可。代碼段通常屬于只讀，以防止其他程序意外地修改其指令(對該段的寫操作將導致段錯誤)。某些架構也允許代碼段為可寫，即允許修改程序。

3.數據段(.data段)

數據段通常用于存放程序中已初始化的全局變量和靜態(tài)局部變量。數據段屬于靜態(tài)內存分配(靜態(tài)存儲區(qū))，可讀可寫。由于全局變量未初始化時，其默認值為0，因此值為0的全局變量位于.bbs段(不位于數據段)。對于未初始化的局部變量，其值是不可預測的。注意：在代碼段和數據段之間還包括其它段：只讀數據段和符號段等。

4. .bbs段

該段用于存放未初始化的全局變量和靜態(tài)局部變量，包括值為0的全局變量。 數據段和.bbs段又稱為全局數據區(qū)，前者初始化，后者未初始化。

ELF段包括：代碼段、其它段(在.data段和.text段之間，包括只讀數據段和符號段等)、.data段(數據段)和.bbs段，都屬于可執(zhí)行程序部分。

5.堆空間

new( )和malloc( )函數分配的空間就屬于堆空間。

分配的堆內存是經過字節(jié)對齊的空間，以適合原子操作。堆管理器通過鏈表管理每個申請的內存，由于堆申請和釋放是無序的，最終會產生內存碎片。堆內存一般由應用程序分配釋放，回收的內存可供重新使用。若程序員不釋放，程序結束時操作系統(tǒng)可能會自動回收。

堆的末端由break指針標識，當堆管理器需要更多內存時，可通過系統(tǒng)調用brk()和sbrk()來移動break指針以擴張堆，一般由系統(tǒng)自動調用。

使用堆時經常出現(xiàn)兩種問題：1) 釋放或改寫仍在使用的內存(“內存破壞”);2)未釋放不再使用的內存(“內存泄漏”)。當釋放次數少于申請次數時，可能已造成內存泄漏。泄漏的內存往往比忘記釋放的數據結構更大，因為所分配的內存通常會圓整為下個大于申請數量的2的冪次(如申請212B，會圓整為256B)。

6.內存映射段(共享庫)

內核將硬盤文件的內容直接映射到內存, 任何應用程序都可通過Linux的mmap()系統(tǒng)調用請求這種映射。內存映射是一種方便高效的文件I/O方式， 因而被用于裝載動態(tài)共享庫。如C標準庫函數(fread、fwrite、fopen等)和Linux系統(tǒng)I/O函數，它們都是動態(tài)庫函數，其中C標準庫函數都被封裝在了/lib/libc.so庫文件中，都是二進制文件。這些動態(tài)庫函數都是與位置無關的代碼，即每次被加載進入內存映射區(qū)時的位置都是不一樣的，因此使用的是其本身的邏輯地址，經過變換成線性地址(虛擬地址)，然后再映射到內存。而靜態(tài)庫不一樣，由于靜態(tài)庫被鏈接到可執(zhí)行文件中，因此其位于代碼段，每次在地址空間中的位置都是固定的。

7.棧空間

用于存放局部變量(非靜態(tài)局部變量，C語言稱為自動變量)，分配存儲空間時從上往下。

虛擬內存實現(xiàn)方式

頁面和頁框

我們來打個比方，假設你現(xiàn)在有一臺32KB內存的電腦，虛擬內存是64KB。首先我們先將64KB的虛擬內存切個片，一個片大小為4KB，所以總共切了16片。同時，把32KB的物理內存也按4KB的切片，總共切了8片。那么我們就稱虛擬內存的一個片叫做頁面，物理內存的一個片叫做頁框。

頁表

同學們可能已經猜到了，沒錯，虛擬內存和物理內存之間是有一個映射關系的。這個映射該怎么實現(xiàn)呢，這就需要我們頁表的登場啦!頁表中維護著頁表和頁框的對應關系。舉個栗子，一個地址為0x0010000000000100的16位地址。16位地址可拆分為兩部分，前4位和后12位。前4位對應著16個虛擬頁表的號牌用于在頁表中尋找對應的頁框號，后12位用于頁內偏址。0010即是2號，我們在頁表中查找2號選手對應的頁框，假設是100。那么我們虛擬地址所對應的物理地址即可得出，為100+之前的后12位頁內偏移地址，即0x100000000000100。

不過畢竟頁面比頁框為16:8，那么肯定會有一部分的頁面沒有所對應的頁框，如果我們的虛擬地址就在這些頁面中我們該怎么辦呢?

缺頁中斷

沒錯，如果我們的虛擬地址所在頁面沒有對應的頁框，那么系統(tǒng)會產生一個缺頁中斷。缺頁中斷使CPU停下手頭的工作，轉而去尋找一個使用最少的一個頁框，將其寫入到磁盤中(如果頁框范圍內地址的內容有改變的話，沒有改變則不需要寫入磁盤)。然后修改將頁面指向該頁框，修改映射關系，至此缺頁中斷處理結束。CPU繼續(xù)執(zhí)行之前的工作。

TLB

到這里，虛擬內存已經可以完整的映射到物理內存了，但還有一些問題。那就是速度問題。我們設想一下，如果把頁表存儲在進程中，那么每次CPU都得進入內存中查詢，非常的影響速度。那我們如果設置一個寄存器在CPU中，那速度不就很快了么?確實這樣CPU的訪問速度會非常的快，但是每次的進程切換，都會有新的頁表載入該寄存器中，同樣非常影響速度。那我們就沒有辦法了么?根據計算機科學家的統(tǒng)計，其實有一些頁面映射是非常頻繁的，而剩余的映射則非常少，那么我們就可以將這些映射最頻繁的頁面放入CPU寄存器中，而這個CPU寄存器我們就叫他TLB。

虛擬內存原理

內存在計算機中的作用很大，電腦中所有運行的程序都需要經過內存來執(zhí)行，如果執(zhí)行的程序很大或很多，就會導致內存消耗殆盡。為了解決這個問題，Windows中運用了虛擬內存技術，即拿出一部分硬盤空間來充當內存使用，當內存占用完時，電腦就會自動調用硬盤來充當內存，以緩解內存的緊張。舉一個例子來說，如果電腦只有128MB物理內存的話，當讀取一個容量為200MB的文件時，就必須要用到比較大的虛擬內存，文件被內存讀取之后就會先儲存到虛擬內存，等待內存把文件全部儲存到虛擬內存之后，跟著就會把虛擬內里儲存的文件釋放到原來的安裝目錄里了。

當系統(tǒng)運行時，先要將所需的指令和數據從外部存儲器(如硬盤、軟盤、光盤等)調入內存中，CPU再從內存中讀取指令或數據進行運算，并將運算結果存入內存中，內存所起的作用就像一個“二傳手”的作用。當運行一個程序需要大量數據、占用大量內存時，內存這個倉庫就會被“塞滿”，而在這個“倉庫”中總有一部分暫時不用的數據占據著有限的空間，所以要將這部分“惰性”的數據“請”出去，以騰出地方給“活性”數據使用。這時就需要新建另一個后備“倉庫”去存放“惰性”數據。由于硬盤的空間很大，所以微軟Windows操作系統(tǒng)就將后備“倉庫”的地址選在硬盤上，這個后備“倉庫”就是虛擬內存。在默認情況下，虛擬內存是以名為Pagefile.sys的交換文件保存在硬盤的系統(tǒng)分區(qū)中。

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