关于虚拟内存，物理内存，我有蛮多概念都是很模糊的，今天下午看了一下虚拟内存，也算是有了一点小收获，本文就针对为什么需要有虚拟内存的理解写下来。

    同时，我也希望自己能够陆续学习linux内存管理的知识，并且写出一些文章，来记录自己的一些理解。

     如果您觉得有任何问题，可以留下评论，我们一起讨论，毕竟越辩越明。

为什么要使用虚拟内存

    之前的计算机系统，是使用物理地址来使用内存的，这样，CPU就根据某个寄存器中相应的值，直接到物理内存去取值了。

     这样的好处就是非常直接，非常容易理解。

    而缺点是，我们需要知道物理地址的值，每次程序开始执行，也就是执行程序从磁盘被load到物理内存中之后，我们必须告诉CPU，程序是从哪一个地址开始执行的(即PC寄存器的值)；还有一个致命的缺点是：程序使用的内存会被物理内存所限制，比如我们的机器上只有512M内存，那我们的程序就不能使用需占1G内存的程序了。这点或许是催生虚拟内存产生的最主要原因。

虚拟内存的概念

    为了解决上面的的问题，就产生了虚拟内存的概念。那什么是虚拟内存呢？这里我先说说自己对存储器层次结构的理解。

    计算机中有一种存储器层次的原则。我的理解是，CPU使用的数据都是基于寄存器的，如果我们的寄存器足够的大和多并且足够便宜，那么也就没有后来那么多的东西产生了。而问题就是寄存器足够快，但其造价却非常昂贵，因此，考虑到成本，就有了之后的CPU高速缓存，主存(就是我们常说的内存)和硬盘，甚至磁带等存储器了。

    那么，计算机是如何让这些速度快慢不一、容量大小不一的存储器在一起工作的呢？一个方案就是存储器层次结构。

    对于这个存储器层次结构，我的理解是：CPU是和寄存器打交道的，但寄存器的容量毕竟有限，因此就需要高速缓存存储器来作为寄存器的缓存，当有些数据在寄存器中找不到时，CPU就可以去寻找高速缓存这个存储器中的内容，如果告诉缓存器还没有这个数据，那我就去主存中再去寻找这个数据，如果主存中也还没有，那就去磁盘中找吧。

    这也是我对存储器层次结构的一个理解。

    以上说了一通，但都没有提到虚拟内存，那虚拟内存究竟是什么？他在这个层次中处于哪个位置呢？

    实际上，按照这种模型去思考的话，就可以这样理解：虚拟内存就是去解决主存到磁盘这个层次的方案。

    没错，我认为虚拟内存就是一种方案，而且他是非常重要的，为什么呢？众所周知，CPU的速度很快，内存就是作为匹配CPU和磁盘之间速度的一个中间层，高速缓存其实也是这样一个缓存的角色，但问题是，如果高速缓存失效，那么CPU会去访问内存，这样的速度只是降低了十倍的数量级；而如果是内存失效，让CPU去访问磁盘的话，这样的速度却是降低了十万倍到百万倍的数量级。

    可见，在寄存器、高速缓存和主存之间缓存的失效，结果还是可以让人接受的(想想java的volatile关键字)，但主存和磁盘之间缓存的失效，就会给程序造成比较大的性能影响了，所以我们应该努力避免主存的失效，这也是虚拟内存所必须要解决和面对的问题之一。

总结

    其实可以认为，程序使用的内存，都是用的虚拟内存，因此也就没有了物理内存的限制(但还是限制于计算机的寻址位数，比如32位和64位，因为虚拟内存系统需要使用到物理内存)。他可以把自己的一部分放在物理内存中，还有一部分当做缓存放到磁盘中。另外，虚拟内存有相应的虚拟地址，因此，他就可以做到对于每一个程序来说，使用的都是相同的虚拟地址，这些虚拟地址，则可以映射到不同的物理地址，也就是说每个程序都可以把自己想象成自己拥有整台机器的内存。

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