1. 虚拟内存概述
虚拟内存（Virtual Memory）是一种操作系统内存管理机制，它允许进程使用超过物理内存（RAM）大小的内存空间。其核心思想是：程序运行时只需要将部分代码和数据加载到内存中，其余部分可以保留在磁盘上，按需加载。
通过虚拟内存，系统可以：
- 实现进程间的内存共享
- 提高内存访问的安全性（通过内存隔离）
- 使进程能够使用比物理内存更大的地址空间
虚拟内存为每个进程提供了一个连续的地址空间（逻辑地址空间），但实际上这些地址在物理内存中可能是分散的，甚至部分数据存储在磁盘上。
下图展示了虚拟内存的基本概念：
虚拟内存的实现主要有两种方式：
- 分页（Paging）
- 分段（Segmentation）
我们将在后续章节中分别介绍这两种机制，并进行对比。
2. 分页式虚拟内存
分页是最常见的虚拟内存实现方式。其核心思想是将内存划分为固定大小的块，称为页框（Frame），而程序的逻辑内存被划分为同样大小的块，称为页（Page）。
在程序运行过程中，只有当前需要的页才会被加载到内存中，这种方式称为“按需分页（Demand Paging）”。
2.1. 分页的优势
- 减少内存占用，提高系统并发处理能力
- 降低 I/O 操作频率
- 提高系统响应速度
2.2. 验证位（Validation Bit）
每个页表项（Page Table Entry）中都有一个验证位（Valid Bit），用于标识该页是否在内存中：
- 1：表示该页在内存中
- 0：表示该页不在内存中，或引用无效
当验证位为 0 时，访问该页会触发一个缺页异常（Page Fault），操作系统会负责将该页从磁盘加载到内存。
2.3. 缺页异常（Page Fault）
当发生缺页异常时，系统会执行以下操作：
- 定位磁盘中所需页的位置
- 寻找一个空闲页框（Frame）
- 将页加载到该页框
- 更新页表
- 继续执行触发异常的指令
如果内存中没有空闲页框，就需要进行页替换（Page Replacement）。
2.4. 页替换算法
页替换的目标是选择一个页框将其内容换出（写回磁盘），以腾出空间给新页。常见算法包括：
| 算法 | 说明 | 特点 |
|---|---|---|
| FIFO | 先进先出 | 简单但可能产生“Belady 异常” |
| LRU | 最近最少使用 | 性能较好，但实现复杂 |
| LFU | 最不经常使用 | 基于访问频率 |
| MFU | 最常使用 | 较少使用 |
⚠️ 最优页替换算法（OPT）理论上最优，但无法实际实现，因为它需要预知未来访问序列。
3. 分段式虚拟内存
分段（Segmentation）是另一种虚拟内存实现方式。与分页不同，分段将内存划分为大小不一的连续区域，称为“段（Segment）”。
逻辑地址由两个部分组成：
- 段号（Segment Number）：用于在段表中查找段的描述信息
- 偏移量（Offset）：表示在该段内的位置
每个段表项中包含：
- 基地址（Base Address）：段在物理内存中的起始地址
- 段长度（Limit）：段的大小
分段机制允许程序按照逻辑结构（如代码段、数据段、堆栈段等）组织内存，提高了内存的灵活性和可管理性。
3.1. 段描述符（Segment Descriptor）
段描述符是一个 8 字节的结构，用于描述段的属性。其字段包括：
| 字段 | 含义 |
|---|---|
| BA | 基地址 |
| G | 粒度（0: 字节，1: 4KB 页） |
| D | 默认操作数大小（16/32 位） |
| B | 同 D |
| L | 长模式（64 位） |
| AVL | 可用位（供软件使用） |
| P | 是否在内存中 |
| DPL | 描述符特权等级 |
| T | 类型 |
| C | 是否可跨特权级访问 |
| E | 扩展方向 |
| R/W | 可读写标志 |
| A | 是否被访问过 |
段描述符保存在两种表中：
- GDT（Global Descriptor Table）：全局描述符表，系统唯一
- LDT（Local Descriptor Table）：局部描述符表，每个进程一个
3.2. 段选择子（Segment Selector）
段选择子是一个 16 位的结构，用于定位段描述符。其字段包括：
| 字段 | 含义 |
|---|---|
| Index | 描述符索引 |
| TI | 表指示器（0: GDT，1: LDT） |
| RPL | 请求者特权等级 |
当进程访问内存时，首先通过段选择子找到对应的段描述符，再根据描述符中的信息定位到物理内存中的段。
4. 分页 vs 分段
| 特性 | 分页（Paging） | 分段（Segmentation） |
|---|---|---|
| 地址划分 | 固定大小 | 可变大小 |
| 碎片问题 | 无外部碎片，有内部碎片 | 有外部碎片 |
| 内存共享 | 难以直接共享 | 易于共享整个段 |
| 内存保护 | 通过页表权限控制 | 通过段描述符控制 |
| 实现复杂度 | 相对简单 | 较复杂 |
| 支持逻辑结构 | 不支持 | 支持模块化结构 |
✅ 分页更适合现代操作系统，因为它简化了内存管理和页替换机制，同时避免了外部碎片问题。
❌ 分段虽然更符合程序逻辑结构，但实现复杂且容易产生外部碎片，因此在现代系统中逐渐被弃用。
5. 总结
虚拟内存是操作系统内存管理的关键机制，它通过分页或分段技术，使得程序可以使用比物理内存更大的地址空间。
- 分页：固定大小，易于实现，适合现代系统
- 分段：逻辑结构清晰，但复杂且易产生碎片
在实际系统中，通常采用分页机制，有时也会结合分段实现段页式内存管理（Segmented Paging），以兼顾逻辑结构与性能。
💡 踩坑提醒：理解虚拟内存的工作机制对于系统调优和性能分析至关重要，尤其是在处理缺页异常和页替换时，合理选择算法能显著提升系统效率。