淺談作業系統之虛擬記憶體
如下圖：
我們都知道，我們寫的程式經過編譯器編譯成機器級語言後會被儲存到檔案中，當我們要執行它的時候，作業系統會將其載入到記憶體中並交給CPU去處理，CPU只處理一條條的指令。設想一下，如果記憶體中有一個程式，CPU通過系統匯流排去和記憶體中的指令和資料進行互動時，採用物理定址將非常自然、方便，但是如果是兩個程式或者多個程式會出現怎樣的情況？
我們會看到兩個程式中都有一條指令 mov eax (100),注意，這裡的100是相對於正在執行的程序而言（單核），如果直接使用實體地址，那麼就得分析每一個程序中的每一條指令，看看哪一個指令是操作記憶體的，並且要知道該程序的基值地址，然後把該指令中的位置（偏移量）加上該程序的基地址，分析指令是非常麻煩的，不容易實現，所以，我們引入了虛擬定址（邏輯地址），如下圖：
我們從圖中可以看到，在使用虛擬定址時（用邏輯地址），CPU會生成一個虛擬地址（邏輯地址），用這個虛擬地址來訪問主存時需要經過一個MMU（記憶體管理單元）來對這個虛擬地址進行翻譯，把這個虛擬地址變為真正的實體地址，對於每一個程序而言，它在執行的時候基址暫存器中的值是不一樣的，比如上面的程式1，它的基址暫存器中的值為0，而對於程式2 暫存器中的值1000，這樣一來CPU就不用分析當前程序中的指令了，當CPU執行一個指令的時候，它就認為所有關於記憶體地址的地址都是虛擬地址，然後發給MMU，經過MMU後就會將其翻譯成真實的地址，最後，記憶體通過系統匯流排把資料給CPU傳了過去。這裡注意一個問題：MMU怎麼知道當前程序的基地址？這是因為作業系統知道每一個程序的基地址，MMU（記憶體管理單元）硬體會利用放在主存中的查詢表來動態地翻譯虛擬地址，該表的內容是由作業系統管理的，也就是說，在程序進行切換的時候，這個基值暫存器中的值是會發生改變的。
那虛擬地址到底長什麼樣？請看下圖：
每一個程序都有一個虛擬地址空間，而且結構非常相似
這樣看起來一切順利，但事實並非如此，因為我們的電腦記憶體很是有限，有些應用程式它需要很大的記憶體來執行它，這樣一來，有時記憶體就不夠用了，那應該怎樣解決呢？
我們想到了區域性性原理（上帝的法則），區域性性原理有兩個：
① 時間區域性性: 意思是說，我電腦中的程式某一條指令在使用完之後，在不久的將來有很大可能再次地使用它
② 空間區域性性: 這個是說，我電腦中的某一塊記憶體在使用時，在不久的將來會使用記憶體地址相近的一塊記憶體區域
所以我們決定，我們把應用程式程式碼不全部載入到記憶體中去，只是載入一小部分
接下來我們瞭解幾個新的概念：
虛擬頁和物理頁
虛擬儲存器系統把虛擬儲存器分割成大小固定的塊，這一塊一塊的儲存器中的內容我們稱為虛擬頁
擁有虛擬頁地址和物理頁地址資訊的頁表
頁表就是一個存放頁表條目（Page Table Entry，PTE）的陣列，裡面存放了若干個頁表條目，那麼什麼是頁表條目呢？頁表條目其實就是描述虛擬頁資訊的一塊記憶體[物理]（也可以說成資料結構[邏輯]）如下圖
我們可以簡單地認為頁表條目是由一個有效位和一個n位地址欄位組成，有效位表明了該虛擬頁當前是否被快取到記憶體中了
瞭解了頁表，我們再來看看物理頁、虛擬頁和頁表之間的一個關係，虛擬頁是虛擬儲存系統把一個程式的虛擬地址空間劃分了若干個虛擬頁，（注意，這個虛擬頁不是真正存在的東西），虛擬頁有三種情況，一種是未分配的，不佔用記憶體空間，第二種是未快取的，也就是以儲存在磁碟上的形式存在，還有一種是快取的，也就是以儲存在記憶體中的形式存在，接下來我門來看一個圖
從這個圖中我們可以看到，頁表條目其實就是一個虛擬頁的描述，它描述了虛擬頁是否被快取在記憶體中（有效位），以及虛擬頁的儲存位置（未分配的為null，快取了的指向記憶體中物理頁的地址，未快取的指向磁碟中虛擬頁的位置）
下來我們看看這個邏輯地址是如何工作的
在頁面命中時，CPU硬體執行的步驟為：
第一步：處理器生成一個虛擬地址（VA），並把它傳送給MMU
第二步：MMU生成頁表條目的地址（PTEA），請求記憶體中的頁表，讓它給自己返回一個頁表條目（PTE）
第三步：MMU構造實體地址（PA），然後把這這個實體地址傳給記憶體（這時候是真實的實體地址），請求實體記憶體中的資料
第四步：記憶體返回所請求的資料給處理器
過程如下圖：
這裡我們不討論頁面不命中的時候
我們來看一個總圖，來總結一下今天所提到的知識，看看到底在整個計算機中虛擬儲存技術是如何工作的
到這裡，我們可以發現，虛擬記憶體技術的核心就是利用了局部性原理，把所要執行的程序中的資料不全部載入到記憶體中執行，而是載入一部分，當CPU在請求頁表時，發現頁表中的頁表條目中的有效位為0但是被虛擬儲存系統分配了的虛擬頁時，就會把這個虛擬頁從磁碟中排程到記憶體中（往往磁碟中的資料不常用，而在記憶體中的物理頁的資料是頻繁使用的資料），這樣一來，我們就實現了多個程序同時載入到記憶體中並且還佔用不是很多的記憶體的效果了
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