虚拟内存技术

概念：

虚拟内存别称虚拟存储器（Virtual Memory）。电脑中所运行的程序均需经由内存执行，若执行的程序占用内存很大或很多，则会导致内存消耗殆尽。为解决该问题，Windows中运用了虚拟内存技术，即匀出一部分硬盘空间来充当内存使用。当内存耗尽时，电脑就会自动调用硬盘来充当内存，以缓解内存的紧张。若计算机运行程序或操作所需的随机存储器(RAM)不足时，则 Windows 会用虚拟存储器进行补偿。它将计算机的RAM和硬盘上的临时空间组合。当RAM运行速率缓慢时，它便将数据从RAM移动到称为“分页文件”的空间中。将数据移入分页文件可释放RAM，以便完成工作。 一般而言，计算机的RAM容量越大，程序运行得越快。若计算机的速率由于RAM可用空间匮乏而减缓，则可尝试通过增加虚拟内存来进行补偿。但是，计算机从RAM读取数据的速率要比从硬盘读取数据的速率快，因而扩增RAM容量（可加内存条）是最佳选择。 [2]
虚拟内存是Windows 为作为内存使用的一部分硬盘空间。虚拟内存在硬盘上其实就是为一个硕大无比的文件，文件名是PageFile.Sys，通常状态下是看不到的。必须关闭资源管理器对系统文件的保护功能才能看到这个文件。虚拟内存有时候也被称为是“页面文件”就是从这个文件的文件名中来的。 [2]
内存在计算机中的作用很大，电脑中所有运行的程序都需要经过内存来执行，如果执行的程序很大或很多，就会导致内存消耗殆尽。为了解决这个问题，WINDOWS运用了虚拟内存技术，即拿出一部分硬盘空间来充当内存使用，这部分空间即称为虚拟内存，虚拟内存在硬盘上的存在形式就是 PAGEFILE.SYS这个页面文件。 [2]

虚拟内存是如何工作的呢？

创建一个进程时，操作系统（32位系统）会为该进程分配一个4GB 大小的虚拟内存。 之所以是4GB ，是因为在 32 位的操作系统中，一个指针长度是 4 字节（32位， 2的32次方个地址寻址能力是从0x00000000~0xFFFFFFFF ）即为 4GB 大小的容量。
一个进程用到的虚拟地址是由内存区域表来管理的，实际用不了4G。而用到的内存区域，会通过页表映射到物理内存。所以每个进程都可以使用同样的虚拟内存地址而不冲突，因为它们的物理地址实际上是不同的。比如进程A的0x12345678虚拟地址和进程B的的0x12345678虚拟地址映射的物理地址是不同的的。
我们现在使用的64位系统，虚拟内存最大有多大呢？是2的64次方吗？那将会有16EB的虚拟地址空间，1EB有多大呢？1EB = 1,000 PB = 1,000,000 TB = 1,000,000,000 GB 毫无疑问这是个非常巨大的数字，我们的系统根本不需要如此巨大的虚拟内存。现代的操作系统，比如，Windows在AMD64上的实现仅应用了最大256TB的虚拟内存。
cup要访问虚拟内存地址时，需要经过地址翻译成物理地址才能访问。比如下图（来自《深入理解计算机系统》）中，cpu要访问虚拟地址4100，需要通过专用的硬件内存管理单元（memory management unit）MMU来翻译成对应的内存物理地址4，然后cpu在内存地址4的位置上取到数据返回。

虚拟内存被分为一块块固定的大小，成为虚拟页（Virtual Page）简称VP，对应的物理内存也被分成一块块同样的大小，成为物理页（Physical Page）简称PP。磁盘和内存之间是以页为单位进行数据交换的。
cpu怎么知道某一个虚拟页是否缓存了数据？缓存在内存中还是磁盘中呢？
这就需要一张表格来记录了，这就是页表。
页表第一列valid 如果是0表示该虚拟页未被缓存，1表示已经缓存了数据。
第二列蓝色的表示数据缓存在内存中，白色的表示数据缓存在磁盘中。

页命中

当cpu要访问PTE2（箭头所指的位置）的数据时，发现valid标志位为1，所以表示该虚拟页已经被缓存了，由于页表中的地址指向内存中的VP2数据块，所以cpu直接从内存中读取数据VP2，这种情况就叫做页命中。

缺页

当cpu要访问PTE3（箭头所指的位置）的数据时，发现valid标志位为0，所以表示该虚拟页未被缓存，这时会触发一个缺页异常，cup根据页表第二列的指针找到磁盘中对应的数据块VP3，然后根据规则选择一个内存中的牺牲页，把VP3覆盖到内存中。
上图中的内存中的vp4被替换成了VP3，valid的值从0变成1。
缺页异常返回后，会重启缺页指令，并更新虚拟地址，cpu再次访问PTE3的时候就能命中页，取到数据了。

总结

当每个进程创建的时候，内核会为每个进程分配虚拟内存，这个时候数据和代码还在磁盘上，当运行到对应的程序时，进程去寻找页表，如果发现页表中地址没有存放在物理内存上，而是在磁盘上，于是发生缺页异常，于是将磁盘上的数据拷贝到物理内存中并更新页表，下次再访问该虚拟地址时就能命中了。