2.1 操作系统地址管理

物理内存非常直观，就是真实存在的，其大小就是插在主板内存槽上的内存条的容量大小。我们经常所说的一台计算机配置有1GB或者2GB内存，指的就是真实的物理内存的大小。

虚拟内存是伴随着操作系统和硬件的发展出现的。虚拟地址是操作系统根据CPU的寻址能力，支持访问的虚拟空间，比如前些年大家使用的32位操作系统，对应的虚拟地址空间为0～232，即0～4GB，而我们计算机的物理内存可能只有512MB，所以涉及物理内存和虚拟内存的映射。虚拟内存的发展解决了很多问题，也带来了很多好处。具体可以参考其他文献。

这里我们稍微介绍一下虚拟内存和物理内存的映射机制。上面提到虚拟内存和物理内存大小并不匹配，所以需要一个额外的机制把两者关联起来。当程序试图访问一个虚拟内存页面时，这个请求会通过操作系统来访问真正的内存。首先到页面表中查询该页是否已映射到物理页框中，并记录在页表中。如果已记录，则会通过内存管理单元（Memory Management Unit, MMU）把页码转换成页框码（frame），并加上虚拟地址提供的页内偏移量形成物理地址后去访问物理内存；如果未记录，则意味着该虚拟内存页面还没有被载入内存，这时MMU就会通知操作系统发生了一个页面访问错误（也称为缺页故障（page fault）），接下来系统会启动所谓的“请页”机制，即调用相应的系统操作函数，判断该虚拟地址是否为有效地址。如果是有效的地址，就从虚拟内存中将该地址指向的页面读入内存中的一个空闲页框中，并在页表中添加相对应的表项，最后处理器将从发生页面错误的地方重新开始运行；如果是无效的地址，则表明进程在试图访问一个不存在的虚拟地址，此时操作系统将终止此次访问。当然，也存在这样的情况：在请页成功之后，内存中已经没有空闲物理页框了，这时，系统必须启动所谓的“交换”机制，即调用相应的内核操作函数，在物理页框中寻找一个当前不再使用或者近期可能不会用到的页面所占据的页框。找到后，就把其中的页移出，以装载新的页面。对移出页面根据两种情况来处理：如果该页未被修改过，则删除它；如果该页曾经被修改过，则系统必须将该页写回辅存。