虚拟内存管理

引出案例虚拟内存管理内存管理方式分段式分页式

引出案例

看下面这段代码，思考为什么会出现这种现象？

#include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <stdlib.h> int g_val = 0; int main() { pid_t id = fork(); if (id < 0) { perror("fork"); return 0; } else if (id == 0) { //child,子进程肯定先跑完，也就是子进程先修改，完成之后，父进程再读取 g_val = 100; printf("child[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val); } else { //parent sleep(3); printf("parent[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val); } sleep(1); return 0; }

输出结果：

//与环境相关，观察现象即可

child[3046]: 100 : 0x80497e8 parent[3045]: 0 : 0x80497e8

现象：

1.输出地址相同

2.相同地址中存储的数据不同

谜底：其实这里的地址并不是数据真正的物理地址，而是虚拟地址！！！

虚拟内存管理

现代操作系统普遍采用虚拟内存管理（Virtual Memory Management） 机制，这需要MMU（Memory Management Unit，内存管理单元） 的支持两个概念：虚拟地址 和 物理地址如果处理器没有MMU，或者有MMU但没有启用， CPU执行单元发出的内存地址将直接传到芯片引脚上，被内存芯片接收，这称为物理地址（Physical Address）如果处理器启用了MMU， CPU执行单元发出的内存地址将被MMU截获，从CPU到MMU的地址称为虚拟地址（Virtual Address，以下简称VA） ，而MMU将这个地址翻译成另一个地址发到CPU芯片的外部地址引脚上，也就是将虚拟地址映射成物理地址

由于有了虚拟内存管理机制，各进程不必担心自己使用的地址范围会不会和别的进程冲突，比如两个进程都使用了相同虚拟地址0x08048000，操作系统可以设置MMU的映射项把它们映射到不同的物理地址，它们通过同样的虚拟地址访问不同的物理页面，就不会冲突了。虚拟内存不具备存储能力，数据依然存储在物理地址中

这就解释了上面引出案例中的现象是什么原因了：父子进程访问的数据分别位于不同的物理地址上，只不过他们的虚拟地址相同而已，通过映射对应不同的物理地址

为什么操作系统不让进程直接访问物理内存，而是弄了一个虚拟地址，来间接访问物理地址呢？

程序运行时，一般需要一块连续的地址，如果没有虚拟地址，直接使用物理地址，会导致空间利用率降低

无虚拟内存时

此时16M的内存被占用了13M，还剩余3M不连续空间没被利用，还有一个进程需要3M连续空间没法运行

有虚拟内存时

通过虚拟内存管理，每个程序都认为自己有一块16M大小的内存，通过虚拟内存映射来保证最大化程度利用物理内存，以减少物理内存的浪费

内存管理方式

分段式

在分段式内存管理系统中，进程的虚拟地址由段号和段内偏移量两部分组成。

虚拟地址 = 短号 + 段内偏移量

为了完成进程虚拟地址到物理地址的映射，处理器会查找内存中的段表，由段号得到段的首地址，加上段内偏移量，得到实际的物理地址。

物理地址 = 段首地址 + 段内偏移量

这个过程也是由处理器的硬件直接完成的，操作系统只需在进程切换时，将进程段表的首地址装入处理器的特定寄存器当中。这个寄存器一般被称作段表地址寄存器。

系统会为每一个进程建立一个映射表

图解

分页式

将程序的虚拟地址空间划分为固定大小的页(page)，而物理内存划分为同样大小的页框(page frame)。程序加载时，可将任意一页放人内存中任意一个页框，这些页框不必连续，从而实现了离散分配。该方法需要CPU的硬件支持，来实现虚拟地址和物理地址之间的映射。在页式存储管理方式中地址结构由两部构成，前一部分是页号，后一部分为页内偏移量。

每个进程有一个页表，描述该进程占用的物理页面及逻辑排列顺序

址结构由两部构成，前一部分是页号，后一部分为页内偏移量。

每个进程有一个页表，描述该进程占用的物理页面及逻辑排列顺序

优点：一个程序不必在物理内存上连续存放，实现了将程序运行所需的内存离散分配在物理内存上