虛擬記憶體與實體記憶體
如何管理記憶體？
當多個程式同時執行時，如何讓多個應用程式共同使用實體記憶體資源？有兩種簡單的方法：
-
使某一個應用程式獨佔所有的記憶體資源。一個程式要執行就將另一個程式的記憶體資料轉存到硬碟中，使要執行的程式獨佔所有記憶體資源。
- 缺點：硬碟讀寫速度很慢（相對而言），如果應用程式頻繁切換，必然會造成大量時間開銷。
-
讓每一個應用程式獨佔一部分記憶體資源。多個應用程式的資料，可以一直儲存在記憶體中，避免了硬碟讀寫的時間開銷。
- 缺點：無法保證不同應用程式記憶體之間的隔離性，如果應用程式A錯誤讀取或修改了應用程式B的記憶體資料，就會造成嚴重的後果。
- 缺點：無法保證每個應用程式分到的記憶體地址是連續的，這會增加程式編寫的複雜度。
虛擬記憶體
為了使不同的應用程式高效，安全的使用記憶體，虛擬記憶體應運而生。顧名思義，虛擬記憶體是對實體記憶體的一種抽象，它介於應用程式與實體記憶體之間。應用程式是面向虛擬記憶體編寫的，而不再是面向實體記憶體編寫的。應用程式在執行時只能使用虛擬地址CPU負責將虛擬地址翻譯成實體地址，作業系統負責設定虛擬地址到實體地址的對映。
優點：
- 應用程式只能看到自己的虛擬地址空間，從而保證了應用程式之間記憶體的隔離性，使應用程式執行更安全。
- 每個應用程式的虛擬記憶體空間是連續的、統一的，從而降低了程式設計的複雜性。
地址翻譯：CPU中的記憶體管理單元（MMU）負責將虛擬記憶體翻譯成實體記憶體。為了加速地址翻譯過程，MMU中還加入了轉址旁路快取（TLB），TLB可以快取一部分虛擬地址到實體地址的對映，從而加速翻譯。
虛擬記憶體是硬體提供的一種功能，而不是作業系統提供的。
分段和分頁
分段和分頁是MMU將虛擬地址翻譯為實體地址的兩種機制。
分段
在分段的機制下，作業系統以“段”（一段連續的實體記憶體）的形式來管理、分配虛擬記憶體和實體記憶體。應用程式的虛擬地址空間由若干個不同大小的段組成，比如：程式碼段、資料段。
每一段都是一個虛擬地址空間，虛擬地址由兩部分組成：段號和段內地址。MMU通過段表找到對應的物理段，再通過虛擬地址中的段內地址（偏移量）找到對應的實體地址。
缺點：造成物理出現外部碎片。虛擬地址中相鄰的段對應到實體記憶體中可能就不相鄰了，這樣雖然實現了實體記憶體的離散分配，但是可能造成實體記憶體中相鄰的段之間出現記憶體碎片（不足以對映給虛擬記憶體中的段）。
分頁
將應用程式的虛擬地址空間劃分成連續的，等長的虛擬頁，同時實體記憶體也被劃分為等長的，連續的虛擬頁。作業系統為每一個應用程式構造頁表（虛擬頁到物理頁的對映關係表）。分頁機制下的虛擬地址由兩部分構成：虛擬頁號和頁內偏移量。
MMU通過應用程式的頁表找到虛擬頁號對應的實體地址，再通過頁內偏移量找到對應的實體地址。
多級頁表
上面的簡單分頁機制在位作業系統中，還能用，但是在64位作業系統中就不行了。64位作業系統，虛擬地址長64位，也就是8個位元組，64位定址範圍是0~2^64，如果一個虛擬頁大小4KB，那麼就會有2^64/4KB個虛擬頁，如果用一張頁表來記錄，一個頁表項8位元組，那麼頁表大小就為2^64/4KB*8，這是一個無法接受的數字。為了壓縮頁表的大小，多級頁表應運而生。下面是一個4級頁表的示意圖：
在多級分頁機制下，0級頁表只有一個頁表頁，而其餘每一級頁表都可以擁有多個離散的頁表頁。虛擬地址可以分為兩部分：虛擬頁號和頁內偏移。只不過虛擬頁號可以進一步分為四個部分，依次對應其在對應級數頁表中的索引。當任意一級頁表中的條目為空時，就意味著該條目對應的下一級頁表不需要存在，因此節省了大量空間。