一个系统中的进程是与其他进程共享CPU和主存资源的。然而，共享主存会形成一些特殊的挑战。随着对CPU需求的增长，进程以某种合理的平滑方式慢了下来。但是如果太多的进程需要太多的内存，那么它们中的一些就根本无法运行。当一个程序没有空间可用时，那就是它运气不好了。内存还很容易被破坏。如果某个进程不小心写了另一个进程使用的内存，它就可能以某种完全和程序逻辑无关的令人迷惑的方式失败。
为了更加有效地管理内存并且少出错，现代系统提供了一种对主存的抽象概念，叫做虚拟内存(VM)。虚拟内存是硬件异常、硬件地址翻译、主存、磁盘文件和内核软件的完美交互，它为每个进程提供了一个大的、一致的和私有的地址空间。通过一个很清晰的机制，虚拟内存提供了三个重要的能力：
1)它将主存看成是一个存储在磁盘上的地址空间的高速缓存，在主存中只保存活动区域，并根据需要在磁盘和主存之间来回传送数据，通过这种方式，它高效地使用了主存。
2)它为每个进程提供了一致的地址空间，从而简化了内存管理。
3)它保护了每个进程的地址空间不被其他进程破坏。
物理地址和虚拟地址
计算机系统的主存被组织成一个由M个连续的字节大小的单元组成的数组。每字节
都有一个唯一的物理地址(Physical Address,PA)。第一个字节的地址为0,接下来的字节地址为1,再下一个为2,依此类推。给定这种简单的结构，CPU访问内存的最自然的方式就是使用物理地址。我们把这种方式称为物理寻址(physicaladdressing)。
如图:
而现在大多数系统使用的是虚拟地址来访问主存，CPU通过生成一个虚拟地址(Virtual Address,VA)来访问主存，这个虚拟地址在被送到内存之前先转换成适当的物理地址。将一个虚拟地址转换为物理地址的任务叫做地址翻译(address translation)。
地址空间
地址空间（Address Space）是计算机系统中一个核心的抽象概念，它定义了程序可以访问的内存地址范围。在现代操作系统中，每个进程都拥有自己独立的地址空间，这为进程提供了内存隔离和保护。
1. 地址空间的基本概念
地址空间可以分为两种主要类型：
- 物理地址空间：对应实际物理内存（RAM）的地址范围。物理地址是内存控制器直接使用的地址，用于访问内存芯片中的特定存储单元。
- 虚拟地址空间：每个进程看到的、独立的地址范围。虚拟地址由CPU生成，需要通过内存管理单元（MMU）转换为物理地址后才能访问实际内存。
2. 虚拟地址空间的特点
虚拟地址空间为每个进程提供了以下重要特性：
- 独立性：每个进程都认为自己独占整个地址空间（通常是4GB或更大），与其他进程的地址空间完全隔离。
- 连续性：虚拟地址空间是连续的线性地址范围，从0开始向上扩展，简化了程序的地址计算。
- 保护性：操作系统通过页表等机制，确保一个进程无法访问其他进程的地址空间，防止恶意或错误的访问。
- 灵活性：虚拟内存可以比物理内存大得多，通过分页和交换技术，可以将暂时不用的数据存储到磁盘上。
3. 地址空间的组成
典型的进程虚拟地址空间通常包含以下几个主要区域：
- 代码段（Text Segment）：存放可执行代码，通常是只读的。
- 数据段（Data Segment）：包含已初始化的全局变量和静态变量。
- BSS段（BSS Segment）：存放未初始化的全局变量和静态变量。
- 堆（Heap）：动态分配的内存区域，向高地址方向增长。
- 栈（Stack）：用于函数调用、局部变量等，向低地址方向增长。
- 共享库区域：映射共享库代码和数据。
- 内核空间：操作系统内核代码和数据，通常位于地址空间的高端。
4. 地址翻译过程
当CPU生成一个虚拟地址时，地址翻译过程如下：
- CPU将虚拟地址发送给内存管理单元（MMU）。
- MMU查询页表（Page Table），找到对应的物理页框号。
- 如果页表中没有对应条目（页错误），则触发缺页异常，由操作系统处理。
- MMU将物理页框号与页内偏移组合，得到物理地址。
- 物理地址被发送到内存总线，访问实际内存。
5. 地址空间的实际意义
地址空间的抽象带来了多重好处：
- 简化编程：程序员无需关心物理内存的分配和布局，只需在虚拟地址空间中编写程序。
- 内存保护：防止进程间的非法内存访问，提高系统稳定性。
- 内存共享：多个进程可以共享相同的代码段或数据段（如共享库），节省内存。
- 内存扩展：通过虚拟内存技术，程序可以使用比物理内存更大的地址空间。
- 简化加载：可执行文件可以加载到虚拟地址空间的任意位置，无需重定位。
虚拟页表
概念上而言，虚拟内存被组织为一个由存放在磁盘上的N个连续的字节大小的单元组成的数组。每字节都有一个唯一的虚拟地址，作为到数组的索引。磁盘上数组的内容被缓存在主存中。和存储器层次结构中其他缓存一样，磁盘(较低层)上的数据被分割成块，这些块作为磁盘和主存(较高层)之间的传输单元。VM系统通过将虚拟内存分割为称为虚拟页(Virtual Page,VP)的大小固定的块来处理这个问题。每个虚拟页的大小为P=2字节。类似地，物理内存被分割为物理页(Physical Page,PP),大小也为P字节(物理页也被称为页帧(page frame))。
在任意时刻，虚拟页面的集合都分为三个不相交的子集：
●未分配的：VM系统还未分配(或者创建)的页。未分配的块没有任何数据和它们相
关联，因此也就不占用任何磁盘空间。
●缓存的：当前已缓存在物理内存中的已分配页。
●未缓存的：未缓存在物理内存中的已分配页。
可以通过图来理解他们之间的关系:
以malloc为例:操作系统是这样分配地址空间的
页表
同任何缓存一样，虚拟内存系统必须有某种方法来判定一个虚拟页是否缓存在DRAM中的某个地方。如果是，系统还必须确定这个虚拟页存放在哪个物理页中。如果不命中(缺页)，系统必须判断这个虚拟页存放在磁盘的哪个位置，在物理内存中选择一个牺牲页，并将虚拟页从磁盘复制到DRAM中，替换这个牺牲页。
抖动
抖动（Thrashing）是虚拟内存系统中一种严重的性能问题，指系统花费大量时间在页面置换（换入换出）上，而实际用于执行进程的时间却很少，导致系统整体性能急剧下降。
1. 抖动的产生原因
抖动通常发生在以下情况：
- 内存过载：系统中运行的进程过多，它们的工作集（Working Set）总和超过了可用物理内存容量。
- 页面置换频繁：操作系统频繁地在内存和磁盘之间交换页面，导致CPU大部分时间都在等待I/O操作完成。
- 局部性原理失效：进程频繁访问的页面无法同时驻留在内存中，导致缺页率异常升高。
2. 抖动的工作机制
当系统发生抖动时，会出现以下恶性循环：
- 进程A发生缺页，操作系统需要为其调入所需页面。
- 由于物理内存已满，操作系统必须选择一个牺牲页（通常是进程B的页面）换出到磁盘。
- 不久后，进程B需要访问刚被换出的页面，又发生缺页。
- 操作系统又需要换出另一个进程（可能是进程A）的页面来为进程B腾出空间。
- 这种频繁的页面换入换出导致磁盘I/O负载极高，CPU利用率却很低。
3. 抖动的表现特征
- CPU利用率骤降：CPU大部分时间处于空闲状态，等待I/O完成。
- 磁盘I/O异常高：磁盘活动指示灯持续闪烁，I/O队列长度增加。
- 系统响应缓慢：用户界面卡顿，命令执行延迟明显。
- 缺页率急剧上升：每秒缺页次数远超正常水平。
- 吞吐量下降：单位时间内完成的进程数量减少。
4. 预防和缓解抖动的策略
操作系统采用多种策略来预防和缓解抖动：
4.1 工作集模型
工作集是进程在最近一段时间内访问的页面集合。操作系统通过监控每个进程的工作集大小，确保分配给进程的物理页框数不小于其工作集大小，从而减少缺页。
4.2 页面置换算法优化
- 局部置换算法：每个进程只能从自己的页面中选择牺牲页，避免影响其他进程。
- 工作集时钟算法：结合工作集概念和时钟算法的优点，更智能地选择置换页面。
- 页面老化算法：根据页面访问频率和最近访问时间动态调整页面优先级。
4.3 负载控制
- 准入控制：当系统内存压力大时，暂停创建新进程或延迟进程调度。
- 交换出进程：将整个进程换出到磁盘，释放其占用的所有物理内存。
- 调整多道程序度：动态调整系统中同时运行的进程数量。
4.4 内存分配策略
- 均衡分配：在所有进程间平均分配物理页框。
- 按优先级分配：为高优先级进程分配更多物理内存。
- 按工作集分配：根据进程的工作集大小动态调整分配。
5. 实际系统中的抖动处理
现代操作系统采用综合策略处理抖动：
- Linux：使用页面回收机制（kswapd）、内存压缩（zswap/zram）和内存控制组（cgroups）来管理内存压力。
- Windows：采用工作集修剪、内存优先级和超级预取等技术优化内存管理。
- 实时系统：通过静态内存分配和确定性调度避免抖动。
6. 开发者的应对策略
应用程序开发者也可以采取措施减少抖动的发生：
- 优化内存使用：减少内存泄漏，及时释放不再使用的内存。
- 改善局部性：优化数据结构和算法，提高空间和时间局部性。
- 使用内存池：对于频繁分配释放的小对象，使用内存池减少碎片。
- 监控内存使用：使用性能分析工具监控应用程序的内存使用模式。