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背景：从物理地址到虚拟地址
在没有操作系统的早期计算机（如单片机）中，程序直接操作的是内存的物理地址。这种方式简单直接，但存在严重问题：
- 地址空间不隔离：如果想同时运行两个程序，它们可能会读写同一块内存区域，导致数据错乱和程序崩溃。
- 内存使用效率低：程序必须加载到一块连续的、足够大的物理内存中才能运行。
- 程序编写困难：程序员需要自己管理内存地址，容易出错。
为了解决这些问题，现代操作系统引入了虚拟内存（Virtual Memory）机制。
操作系统为每个进程提供一个独立的、连续的、私有的虚拟地址空间（Virtual Address Space）。程序在运行时使用的是虚拟地址，而非真实的物理地址。
当进程访问一个虚拟地址时，CPU 中的内存管理单元（MMU, Memory Management Unit） 会自动将这个虚拟地址翻译成对应的物理地址，然后再访问真实的物理内存。
虚拟内存的作用
隔离进程地址空间
- 每个进程都有自己独立的虚拟地址空间和页表。一个进程无法访问另一个进程的内存，保证了进程的安全性。这也从根本上解决了多进程地址冲突的问题。
扩大可用内存空间
- 虚拟内存使得进程可以使用的内存（虚拟内存）远大于物理内存的实际大小。操作系统利用程序的局部性原理（即程序在一段时间内只会访问一小部分数据），只将当前需要用到的数据和指令加载到物理内存中。
- 不常用的数据可以被临时存放到硬盘的交换空间（Swap Space）中。当需要访问这些数据时，再通过缺页中断将其从硬盘换回物理内存。
提高内存使用效率和安全性
- 内存共享：多个进程可以共享同一份物理内存，例如共享库（如 C 库），从而节省物理内存。
- 权限控制：页表中的条目可以设置读、写、执行等权限位。这可以防止程序意外地修改只读数据（如代码段）或执行非代码数据，提高了系统的安全性。
虚拟内存的实现：段页式内存管理
现代操作系统普遍采用段页式内存管理来实现虚拟内存。
- 分段（Segmentation）：将程序的虚拟地址空间划分为若干个逻辑段（Segment），如代码段、数据段、堆栈段等。每个段有自己的大小和权限。
- 分页（Paging）：将虚拟地址空间和物理地址空间都划分为大小固定的页（Page）（如 4KB）。
段页式管理结合了两者的优点：
- 程序先按逻辑功能分段。
- 每个段再被划分为多个大小相等的页。
- 物理内存也被划分为同样大小的页框（Page Frame）。
- 操作系统通过页表（Page Table）来记录虚拟页到物理页框的映射关系。
当 CPU 访问一个虚拟地址时，MMU 会：
- 通过段表找到对应的段。
- 在段内通过页表找到对应的物理页框。
- 结合页内偏移量，最终计算出物理地址。
贡献者
jiechen