虚拟内存

如果我们运行的程序较多，占用的空间就会超过内存（内存条）容量。例如计算机的内存容量为2G，却运行着10个程序，这10个程序共占用3G的空间，也就意味着需要从硬盘复制 3G 的数据到内存，这显然是不可能的。

操作系统（Operating System，简称 OS）为我们解决了这个问题：当程序运行需要的空间大于内存容量时，会将内存中暂时不用的数据再写回硬盘；需要这些数据时再从硬盘中读取，并将另外一部分不用的数据写入硬盘。这样，硬盘中就会有一部分空间用来存放内存中暂时不用的数据。这一部分空间就叫做虚拟内存（Virtual Memory）。

在C语言中，指针变量的值就是一个内存地址，&运算符的作用也是取变量的内存地址，请看下面的代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int a = 1, b = 255;
int main(){
    int *pa = &a;
    printf("pa = %#X, &b = %#X\n", pa, &b);
    system("pause");
    return 0;
}

代码中的 a、b 是全局变量，它们的内存地址在链接时就已经决定了，以后再也不能改变，该程序无论在何时运行，结果都是一样的。

那么问题来了，如果物理内存中的这两个地址被其他程序占用了怎么办，我们的程序岂不是无法运行了？

幸运的是，这些内存地址都是假的，不是真实的物理内存地址，而是虚拟地址。虚拟地址通过CPU的转换才能对应到物理地址，而且每次程序运行时，操作系统都会重新安排虚拟地址和物理地址的对应关系，哪一段物理内存空闲就使用哪一段。如下图所示：

虚拟地址

虚拟地址的整个想法是这样的：把程序给出的地址看做是一种虚拟地址（Virtual Address），然后通过某些映射的方法，将这个虚拟地址转换成实际的物理地址。这样，只要我们能够妥善地控制这个虚拟地址到物理地址的映射过程，就可以保证程序每次运行时都可以使用相同的地址。

例如，上面代码中变量 a 的地址是 0X402000，第一次运行时它对应的物理内存地址可能是 0X12ED90AA，第二次运行时可能又对应 0XED90，而我们的程序不需要关心这些，这些繁杂的内存管理工作交给操作系统处理即可。

让我们回到程序的运行本质上来。用户程序在运行时不希望介入到这些复杂的内存管理过程中，作为普通的程序，它需要的是一个简单的执行环境，有自己的内存，有自己的CPU，好像整个程序占有整个计算机而不用关心其他的程序。

除了在编程时可以使用固定的内存地址，给程序员带来方便外，使用虚拟地址还能够使不同程序的地址空间相互隔离，提高内存使用效率。

优点1：使不同程序的地址空间相互隔离

优点2：提高内存使用效率

使用虚拟地址后，操作系统会更多地介入到内存管理工作中，这使得控制内存权限成为可能。例如，我们希望保存数据的内存没有执行权限，保存代码的内存没有修改权限，操作系统占用的内存普通程序没有读取权限等。

另外，当物理内存不足时，操作系统能够更加灵活地控制换入换出的粒度，磁盘 I/O 是非常耗时的工作，这能够从很大程度上提高程序性能。

以上两点我们将在《内存分页机制》和《内存分页机制的实现》中进行详细讲解。

优点3：使用中间层思想

在计算机中，为了让操作更加直观、易于理解、增强用户体验，开发者经常会使用一件法宝——增加中间层，即使用一种间接的方式来屏蔽复杂的底层细节，只给用户提供简单的接口。虚拟地址是使用中间层的一个典型例子。

所谓虚拟地址空间，就是程序可以使用的虚拟地址的有效范围。虚拟地址和物理地址的映射关系由操作系统决定，相应地，虚拟地址空间的大小也由操作系统决定，但还会受到编译模式的影响。

这节我们先讲解CPU，再讲解编译模式，让大家了解编译器是如何配合CPU来提高程序运行速度的。

编译模式

为了兼容不同的平台，现代编译器大都提供两种编译模式：32位模式和64位模式。

32位编译模式

在32位模式下，一个指针或地址占用4个字节的内存，共有32位，理论上能够访问的虚拟内存空间大小为 2^32 = 0X100000000 Bytes，即4GB，有效虚拟地址范围是 0 ~ 0XFFFFFFFF。

64位编译模式