Question

linux：谁能给我解释下虚拟地址和物理地址的联系？

来个具体分析的，假设地址总线为4，物理地址就有16，那么根据教材中说使用虚拟地址可以使总的地址超过物理地址，请问要怎么做的？就结合刚才说的4位总线来谈。

Answer 1

这个问题很大。。。。我尽自己所能给你解释一下吧，如果你不能完全看懂，以后可以回头再翻翻来看。关于虚拟内存的事情，大概是这样的：
首先你要明确什么是虚拟内存。虚拟内存实际上是操作系统对于内存管理的一种方式，比如说，对每个程序而言，它的内存编址都从0x00到0xff，但是实际上，这些内存对应的物理地址，应用程序本身是无法知道的，在这里就可以理解成操作系统对内存管理的一层抽象。
比如，可能进程init的虚拟地址0x00对应了物理地址的0x10，而kthreadd的虚拟地址0x00对应物理地址0x20，etc.
而且虚拟内存也是一种有效的进程间隔离的方式，极大的提升了进程的安全性和操作系统的稳定性，也就是我一个进程不管做什么，都是在它自己的地址空间里做的，不会影响到其他进程和OS。
当然这是理想情况，实际上还有进程间通信啦之类，这就不在这个问题的范围之内了。
而具体怎么把这些虚拟地址对应到物理地址上，这是操作系统做的事情，估计这个也就是你的问题。
----以上是背景1-----
然后我要明确一下：地址总线4位的意思是说内存用4个bit位来表达地址，所以能够index的地址位就是2^0-2^4，也就是0x0到0xf，就是16个bit的内存空间。
然后我们再来细化一下你的例子，就比方说在你的16bit的内存的机器上有1个OS，上面跑着2个程序。一般来说OS会保留地址的高位，比如11-15bit的位置，作为kernel space；然后0-10bit是user space。
在以上的前提下，虚拟内存的效果是：在每一个程序看来，这个程序都有0x0到0xf的地址可以用，并且它们的0xb-0xf都是shared kernel space，然后0x0-0xa都是自己的user space，这样仿佛就有了32个bit的地址一样。这就是你所谓的是用虚拟地址可以使总的地址操作物理地址。至于os是怎么做到这点的，继续往下看。
-----以上是背景2-----
操作系统对每一个进程有一个进程控制块，叫PCB，Process Control Block，里边存储了每一个进程的进程信息，比如说寄存器，file descriptor，还有我们最关心的内存映射信息。每一个进程有一个递增的id号，叫pid，也就是Process IDentifier.
-----以上是背景3-----
进程间切换，也就是说，比如说你一个系统只有1个CPU，但是有两个进程要跑，而且要让我们看起来好像是两个进程同时在跑一样。为什么我要提到这个呢，后面继续看。
-----以上是背景4-----
好，现在来讲如何把虚拟地址映射到物理地址。从程序的角度来看，从malloc开始讲起，比如，在某一时刻，一个进程调用了malloc，在堆（heap）上申请了2bits的空间。实际上这个行为的流程是，程序调用malloc，进入内核模式之后，调用mmap，如果成功，操作系统会从物理地址上取一块2bits的内存，交给应用程序编入虚拟地址空间。更详细一点说，每个进程对内存管理是一个红黑树的结构，也就是说，在每一个进程的PCB，里维护了一颗红黑树，然后动态的将所有的新分配的内存加到这个红黑树里边，以保证程序对每一块内存的访问时间是差不多的。然后不知道你们教材中有没有提到页表（page table），页表也是PCB中的一项，你们教材中应该会对页表有详细的讲解，将如何对内存的地址进行换算，之类的。然后你要明确，页表实际上是红黑树的cache，这样可以加速程序对于常用的内存的访问速度。
以上是操作系统对内存管理的一个大致概括，就是一块物理的内存如何映射成为一块虚拟的内存。
我在背景2中说，两个程序都看到自己有16个bit的虚拟地址，总共有32bit，但是实际上硬件只有16bits，也就是说，不管你在红黑树和页表中怎么映射，一定会有冲突发生，比如，可能物理地址的0x02对应了进程1中的0x04，又在进程2的PCB中映射到了pid2的虚拟地址位0x06上。操作系统如何解决这个矛盾呢，首先在进程pid 1运行的时候，这个0x02对应的是pid1中的0x04；然后这个时候进程切换发生了，pid 2开始运行。当pid2需要用到它的0x04时，os发现0x02这个地址在pid1中也有映射，于是它就把0x02这个地址上的内容存到硬盘上的一个叫swap的空间内，然后把这个地址交给pid2使用。这样就达到了扩大虚拟地址的效果。
但是这样做是有代价的，因为一旦这个page被swap出去，那么在pid1再来调用的时候会发生一系列的miss，从L1 cache miss到 L2 cache miss到L3 cache miss，然后页表miss，memory miss，会对程序的性能造成极大的影响。影响有多大呢，平均来说：
L1 cache hit: 0.5ns
L2 cache hit: 7ns
主内存引用：100ns
顺序从内存中读取1MB：250,000ns
硬盘寻道：10,000,000ns
从硬盘上顺序读取1MB：30,000,000ns
所以你就可以知道这种行为是以极大的性能为代价的。
----讲完啦-----
总的来说这个很大的话题，我刚才所写的东西的就是试图让你对虚拟内存这个东西有一个基本的概念，然后大致的了解内存是如何映射的。就我现在能想到的，对这个虚拟内存话题的讨论还包括多级页表，进程间隔离&通信以及memory fragment。
个人水平有限，如果以上有什么地方说错的或者遗漏的，还请各位多多补充和批评，谢谢。

追问

极棒的回答，而且针对我的提问，很明显是自己纯手打的字，有一点点不能理解，稍后我追问。perfect！

追答

为什么系统默认选了他的- -这是权威的力量么

追问

那是网友的采纳，不知怎么回事。我觉得你的回答更好！

Answer 2

虚拟就是虚拟的，不是实际真是的物理地址。你可以认为，这两个地址之间没关系。
这个虚拟是通过系统和硬件的双重工作，做的一种点对点的映射（当然实际内存分配是按照页来处理）。
也就是软件不需要考虑内存数据的物理地址，只需要用虚拟地址做数据存储处理就行了。

这样一个好处是，软件不需要自己做内存分配，也不需要考虑别的软件的内存占用问题。操作系统会根据当前的内存使用情况，动态的分配内存空间。虚拟内存地址还一个好处是因为是虚拟的，所以内存并不一定非要在物理内存中。可以存放在任何位置，比如把暂时不用的数据放进硬盘上的虚拟内存，腾出真实的物理内存交给程序运行而提高多程序时运行的效率。而且因为每个软件的虚拟内存地址都是从 0 开始，每个软件的寻址都是独立而且顺序的。程序编写和运行时，都好像是机器里面只有自己一个程序在运行，程序开发起来也很容易。软件不需要考虑内存分配的问题，也不需要担心内存不足和两个程序抢同一片内存导致系统整个崩溃的情况。