内存地址空间
物理内存空间的有限(16G内存条就是有16G). 但如果要运行70G的GTA5, 怎么办?
操作系统非常重要的一个功能就是虚拟化物理内存. 除了内存条等场景下的提法, 在软件地址, 指针地址等指向的地址都是虚拟化后的内存空间地址.
主存中的每个字节都由一个整数物理地址所指定，物理地址的集合叫做物理地址空间。它的范围通常为0到N-1，其中N是主存的大小。
许多操作系统提供虚拟内存，也就是说程序永远不需要处理物理地址，也不需要知道有多少物理内存是有效的。作为代替，程序处理虚拟地址，它被编码为从0到M-1，其中M是有效虚拟地址的大小。虚拟地址空间的大小取决于所处的操作系统和硬件。
Q：为什么32位操作系统给进程分配的是4G的虚拟地址空间？A：32位操作系统一共有32根地址线，每个地址线能模拟的数字位0/1。
多道程序设计进行有效的内存管理，不仅方便用户使用存储器，提高内存利用率，通过虚拟技术从逻辑上扩充存储器。操作系统的内存管理模块负责逻辑地址和物理地址的转换，因此该部分需要紧密结合
虚拟内存空间
实现
- 传统：一次性和驻留性
- 虚拟内存：多次性,对换性,虚拟性
块表、页高速缓存及虚拟内存技术使用高速缓存技术，高速缓存技术依赖局部性原理
- 空间局部性、时间局部性
- 虚拟内存技术建立了内存-外存两极存储结构，利用局部性原理实现高速缓存
- 一定容量的内存和外存
- 页表机制，离散分配
- 中断机构：缺页内部异常，缺页进程阻塞，调页完成唤醒。
- 地址变换机构（需要硬件支持）
容量问题
容量：虚拟存储器的容量（地址空间）由计算机地址总线的数量来决定。虚拟存储器的页表是虚地址到内存地址或者外存地址的映射。通过页表项的status位来决定。缺页中断将外存中的块置入内存。
虚存实际容量由CPU地址长度和外存容量决定。一般情况下CPU的地址长度能表示的大小都大于外存容量。
- 当CPU的地址长度能表示的大小远远大于外存容量时，虚存的实际容量为内存和外存容量之和
- 当外存容量远大于CPU字长能表示的大小时，虚存的实际容量由CPU字长决定
进程的虚拟内存空间组成
虚拟内存使每个进程都以为自己独占了主存。每个进程看到的内存都是一致的，即虚拟地址空间。
在linux中，每个进程看到的虚拟地址空间由以下几个部分内存段组成.
| 段名 | 存储内容 | 分配方式 | 生长方向 | 读写特点 | 运行态 |
|---|---|---|---|---|---|
| 代码段 | 程序指令、字符串常量、虚函数表 | 静态分配 | 由低到高 | 只读 | 用户态 |
| 数据段 | 初始化的全局变量和静态变量 | 静态分配 | 由低到高 | 可读可写 | 用户态 |
| BSS段 | 未初始化的全局变量和静态变量 | 静态分配 | 由低到高 | 可读可写 | 用户态 |
| 堆(运行时) | 动态申请的数据 | 动态分配 | 由低到高 | 可读可写 | 用户态 |
| 映射段 | 动态链接库、共享文件、匿名映射对象 | 动态分配 | 由低到高 | 可读可写 | 用户态 |
| 栈(用户栈) | 局部变量、函数参数与返回值、函数返回地址、调用者环境信息 | 静态+动态分配 | 由高到低 | 可读可写 | 用户态 |
| 内核空间 | 操作系统、驱动程序 | 静态+动态分配 | 由低到高+由高到低 | 不能直接访问 | 内核态 |
地址从低到高，最高层的内核虚拟内存保存的是操作系统中的代码和数据，这部分每个进程都一样。
程序代码和数据
对所有进程来说，代码都是从同一个固定地址开始，紧接着是与全局变量对应的数据区。代码和数据区都是按照可执行文件的内容初始化的。代码和数据区在进程开始运行时就被指定了大小。
- 静态存储区内的变量在程序编译阶段已经分配好内存空间并初始化。这块内存在程序的整个运行期间都存在，它主要存放静态变量、全局变量和常量。
- 这里不区分data区和BSS区，静态存储区内的变量若不显示初始化，则编译器会自动以默认的方式进行初始化，即静态存储区内不存在未初始化的变量。(C++)
- 静态存储区内的常量分为常变量和字符串常量，一经初始化，不可修改。静态存储内的常变量是全局变量，与局部常变量不同，区别在于局部常变量存放于栈，实际可间接通过指针或者引用进行修改，而全局常变量存放于静态常量区则不可以间接修改。
- 字符串常量存储在静态存储区的常量区，字符串常量的名称即为它本身，属于常变量。
堆
而运行时堆是根据 malloc 和 free 函数的调用在运行时动态地扩展和收缩的。
手动申请，手动释放，若不手动释放，程序结束后由系统回收，生命周期是整个程序运行期间。使用 malloc 或者 new 进行堆的申请，堆的总大小为机器的虚拟内存的大小。
说明：new操作符本质上是使用了malloc进行内存的申请，new和malloc的区别如下：
- malloc是C语言中的函数，而new是C++中的操作符。
- malloc申请之后返回的类型是
void *，而new返回的指针带有类型。 - malloc只负责内存的分配而不会调用类的构造函数，而new不仅会分配内存，而且会自动调用类的构造函数。
共享库
地址空间的中间部分用来存放共享库的代码和数据。如 C 标准库、数学库等都属于共享库
栈
用户栈和堆一样，在程序执行期间可以动态的扩展和收缩，编译器用它来实现函数调用。当调用函数时，栈增长，从函数返回时，栈收缩
由系统进行内存的管理。主要存放函数的参数以及局部变量。在函数完成执行，系统自行释放栈区内存，不需要用户管理。整个程序的栈区的大小可以在编译器中由用户自行设定，VS中默认的栈区大小为1M，可通过VS手动更改栈的大小。64b的Linux默认栈大小为10MB，可通过ulimit -s临时修改。
地址翻译
地址变换机构是内存管理单元MMU中将逻辑地址映射为内存中物理地址的硬件系统。大多数处理器提供了内存管理单元MMU，位于CPU和主存之间。MMU在VA和PA之间执行快速的翻译。
逻辑地址logical address是程序产生的与段相关的偏移地址部分。源代码经过complie编译：生成可执行代码，产生若干代码块Object Module后，目标程序所用的地址就是逻辑地址。逻辑地址的范围叫逻辑地址空间。物理地址physical address在CPU外部地址总线上的寻址物理内存的地址信号。物理地址用户透明，转换过程硬件自动完成，转换过程叫做地址重定位。
当cache作用时：
逻辑地址是由程序员给出的。经过查询快表页表得到物理地址。但此时的物理地址并不一定是最终地址，因为如果cache命中则需要再转换成cache地址。转换后的开始中的地址才是最终地址。但如果开始不命中，则仍需要按原来经过代表或者业表得到的地址去直接访存。得到物理地址（内存地址）后，先访问cache，如果命中，转换成cache地址访问，如果没命中，则进行访存。