虚拟内存与物理内存

虚拟内存与物理内存的对应关系

1. 虚拟内存 每个进程拥有独立的4GB 虚拟地址空间，地址范围：0x00000000 ~ 0xFFFFFFFF
   ⚠ 虚拟地址不是真实物理内存地址，只是一套进程内的逻辑地址
2. 物理内存
   ● 真实硬件内存，程序数据最终保存在物理内存
   ● 不同进程相同虚拟地址，可以映射到完全不同的物理地址，进程之间内存隔离互不干扰
   ● OS 通过页表完成虚拟地址 ↔ 物理地址的转换

虚拟内存的大小与地址划分（32 位 Windows）

整个 4GB 地址空间对半划分：

区域	地址范围	特性
用户空间（低2GB）	0x00000000 ~ 0x7FFFFFFF	每个进程独立，用户程序可操作
内核空间（高2GB）	0x80000000 ~ 0xFFFFFFFF	所有进程共享同一份内核空间

用户空间内部细分

1. 前 64KB 空指针赋值区：0x00000000 ~ 0x0000FFFF，禁止访问，捕获空指针错误
2. 用户模式可用区：0x00010000 ~ 0x7FFEFFFF，程序使用的地址区域
3. 后 64KB 禁入保护区：0x7FFF0000 ~ 0x7FFFFFFF，紧邻内核空间，防止用户代码越界访问内核
   管理粒度：4KB 一页，按需分配
   只有真正访问虚拟地址时，才分配物理内存
   VAD（虚拟地址描述符）
   ● WinDbg 命令：!vad，查看进程 VAD 树
   ● 一个 VAD 节点代表一段已经分配的虚拟地址区间，不在 VAD 树中的地址就是未分配
   ● 用途：排查内存泄漏、查看进程内存布局

物理内存

1. 管理单位：4KB / 页，称为物理页
2. 物理内存上限 = 机器实际内存条容量
   公式：
   物理页总数 = 物理内存总大小(KB) ÷ 4KB
   物理内存总量(KB)=MmNumberOfPhysicalPages * 4
3. WinDbg 查看物理页总数命令：

dd MmNumberOfPhysicalPages

取出数值为物理页数量，乘以 4 得到 KB 单位内存

32 位系统内存识别限制

● 硬件理论上限：32 位架构最多识别64GB 物理内存

● Windows 系统版本限制：

○ WinXP：最多识别 4GB（内核人为限制，可通过 Hook 补丁突破）

○ Windows2003 服务器版：可识别 4GB 以上内存

注意：架构本身不限制，是操作系统内核做的限制

页面交换文件 pagefile.sys

● 文件位置：C 盘根目录，默认隐藏系统文件

● 作用：物理内存不够时，把不活跃内存数据写入硬盘这个文件，腾出物理内存

● 程序可用内存 = 物理内存 + pagefile.sys 虚拟内存

● 设置入口：系统属性 → 高级 → 性能设置 → 高级 → 虚拟内存更改

✅区分：

● 进程 4GB：虚拟地址空间（逻辑地址）

● pagefile.sys：硬盘充当内存的交换文件，二者不是同一个东西

核心机制：按需分配 & 缺页异常

1. 按需分配：申请虚拟地址，不会立刻分配物理页；只有访问的时候才分配物理内存
2. 缺页异常触发：访问已经分配虚拟地址，但没有挂载物理页时触发缺页中断
3. 缺页异常 OS 处理流程：
   a. 校验虚拟地址合法性
   b. 分配物理页，建立页表映射
   c. 如果数据在 pagefile，从硬盘交换文件读取数据载入物理页
   d. 返回用户程序继续执行，应用完全无感知
4. 比喻：七个坛子八个盖 物理页数量少于虚拟内存对应的 "坛子"，依靠局部性原理，不活跃页面换入磁盘，活跃页面放在物理内存，动态轮换
   

总结

1. 每个进程独立 4GB 虚拟地址；内核空间所有进程共享
2. 虚拟地址≠物理地址，页表负责映射，进程内存隔离
3. 内存按 4KB 页管理，虚拟内存延迟按需分配物理页
4. VAD 描述已分配虚拟地址，WinDbg !vad查看；MmNumberOfPhysicalPages查看物理页总数
5. pagefile.sys 是硬盘交换文件，物理内存不足时换页，缺页异常对程序透明
6. 32 位 CPU 理论可识别 64GB 内存；XP 系统内核限制仅识别 4GB