虚拟内存与物理内存
为什么要引入虚拟内存机制？可以说，虚拟内存是现代操作系统的核心基石，它解决了如下几个问题：
- 内存容量限制：早期计算机的物理内存非常有限，程序可能需要的内存超过实际安装的物理内存。虚拟内存允许程序使用比物理内存更大的地址空间，通过将部分数据临时存储在硬盘上来扩展可用内存。
- 内存隔离与保护：如果多个程序直接访问物理内存，一个程序可能会意外（或恶意）修改另一个程序的数据，导致系统崩溃。虚拟内存为每个进程提供独立的地址空间，进程之间互不干扰。
- 简化编程：程序员不需要关心物理内存的实际布局、其他程序占用了哪些内存，或者如何避免冲突。每个程序都认为自己拥有完整、连续的内存空间，从地址 0 开始。
- 内存管理效率：物理内存可能是碎片化的，但虚拟内存可以将分散的物理内存块映射为连续的虚拟地址，使内存分配和使用更高效。
虚拟内存像是一种"幻术"。它让每个程序都以为自己独占整个的 4GB（32 位）或 256TB（64 位系统低 48 位是有效的寻址位数）。但实际上，物理内存是有限的、多程序共享的，甚至可能是不连续的。
虚拟内存的实现通常依赖于硬件支持和操作系统的协作。硬件通常是指 CPU 中的硬件组件 MMU（内存管理单元），在 x86 架构中，虚拟内存通过分页机制实现，将虚拟地址转换为物理地址。虚拟地址转换为物理地址的示意图如下：
图中虚拟地址侧面的箭头，以及页表中的虚拟地址表明，虚拟地址是从 0 开始的连续内存。但物理地址则是不连续的（进程 1 的虚拟地址 0、1 分别对应物理内存的 1、4；进程 2 虚拟地址 0、1 对应物理地址 2、3）。
工作流程：
- 程序所在的进程访问某个虚拟地址
- MMU 查找 Page Table（页表），将虚拟地址转换为物理地址
- 如果数据在物理内存中，直接访问
- 如果数据在硬盘上（页面交换），触发"缺页中断"，操作系统将数据从硬盘加载到内存，然后继续执行
虚拟地址空间会被进一步划分为用户地址空间与内核地址空间：
- 用户地址空间：用户态程序使用的虚拟内存区域区域
- 内核地址空间：操作系统内核使用的虚拟内存区域