走进虚拟存储器：打破内存界限的创世纪之举

2023-03-30 16:43:07

虚拟存储器：程序飞行的无垠星空

在现代数字世界中，数据激增已成为常态，而应用程序的复杂性也与日俱增，对内存的需求也随之水涨船高。然而，物理内存的容量却有限，这似乎成了制约程序飞行的瓶颈。

为了打破这一桎梏，虚拟存储器 应运而生。它就像一位魔法师，将有限的物理内存与广阔的磁盘空间巧妙结合，为程序开辟出一片无垠的星空，让其尽情遨游。

物理内存与磁盘空间：携手共创虚拟世界

虚拟存储器将计算机系统中的物理内存和磁盘空间结合起来，共同构建了一个虚拟的内存空间，这个虚拟空间远远大于物理内存的容量。程序在运行时，可以将部分数据和代码存储在物理内存中，而将剩余的部分存储在磁盘上的页面文件中 。这样，程序就可以访问比物理内存更大的内存空间，从而打破了物理内存容量的限制。

页面机制：内存与磁盘之间的桥梁

虚拟存储器的实现离不开页面的 概念。虚拟存储器将内存中的数据分成若干个固定大小的页面（或称为页），并将这些页面映射到磁盘上的页面文件中。当程序需要访问某个页面时，如果该页面不在物理内存中，操作系统会将该页面从磁盘上的页面文件中调入物理内存中，然后程序才能访问该页面中的数据。

地址映射：虚拟与物理的连接

虚拟存储器通过地址映射 将程序的虚拟地址映射到物理地址上。虚拟地址是程序使用的地址，而物理地址是计算机硬件使用的地址。当程序访问某个虚拟地址时，操作系统会通过地址映射将该虚拟地址转换为物理地址，然后硬件就可以访问物理内存中的数据了。

多道程序设计：让资源利用效率倍增

虚拟存储器支持多道程序设计 ，即在同一时间运行多个程序。当一个程序正在运行时，其他程序可以将数据和代码存储在虚拟内存中，等待运行的时机。当某个程序需要运行时，操作系统会将该程序的数据和代码从虚拟内存中调入物理内存中，然后程序就可以运行了。这样，多个程序可以同时在内存中驻留，极大地提高了资源利用效率。

吞吐量提升：让程序如虎添翼

虚拟存储器还能够提高系统的吞吐量 。当多个程序同时运行时，如果物理内存不足，程序就会经常发生缺页中断，导致程序运行速度变慢。虚拟存储器通过将程序的数据和代码存储在虚拟内存中，减少了缺页中断的发生，从而提高了系统的吞吐量。

示例代码

以下是使用 C 语言实现虚拟存储器的一个示例代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/mman.h>

int main() {
  // 分配 1MB 的虚拟内存
  void *addr = mmap(NULL, 1024 * 1024, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
  if (addr == MAP_FAILED) {
    perror("mmap");
    return -1;
  }

  // 访问虚拟内存
  *addr = 42;

  // 取消映射虚拟内存
  if (munmap(addr, 1024 * 1024) == -1) {
    perror("munmap");
    return -1;
  }

  return 0;
}