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操作系统如何表示的内存被占用还是空闲?

05分页内存管理

将虚拟地址空间分成若干个块，每个块都有固定的大小，物理地址空间也被划分成若干个块，每个块也都有固定的大小，物理地址空间的块和虚拟地址空间的块大小相等，虚拟地址空间这些块就被称为页面，物理地址空间这些块被称为帧。

关于分页这里有个问题，页面的大小是多少合适呢?页面太大容易产生空间浪费，程序假如只使用了1个字节却被分配了10M的页面，这岂不是极大的浪费，页面太小会导致页表(下面介绍)占用空间过大，所以页面需要折中选择合适的大小，目前大多数系统都使用4KB作为页的大小。

上面关于虚拟内存如何映射到物理内存程序喵只介绍了MMU，但是MMU是如何工作的还没有介绍，MMU通过页表这个工具将虚拟地址转换为物理地址。32位的虚拟地址分成两部分(虚拟页号和偏移量)，MMU通过页表找到了虚拟页号对应的物理页号，物理页号+偏移量就是实际的物理地址。

具体如图：
 

覆盖技术：需要程序员自己把整个程序划分为若干个小的功能模块，并确定各个模块之间的覆盖关系，增加了程序员的负担，很少有程序员擅长这种技术;

交换技术：以进程作为交换的单位，需要把进程的整个地址空间都换进换出，增加了处理器的开销，还需要足够大的外存。

那有没有更好的解决上述问题的方法呢?答案是虚拟内存技术。

03什么是虚拟内存?

虚拟内存，那就是虚拟出来的内存，它的基本思想就是确保每个程序拥有自己的地址空间，地址空间被分成多个块，每一块都有连续的地址空间，同时物理空间也分成多个块，块大小和虚拟地址空间的块大小一致，操作系统会自动将虚拟地址空间映射到物理地址空间，程序所关注的只是虚拟内存，请求的也是虚拟内存，其实真正使用的是物理内存。

虚拟内存技术有覆盖技术的功能，但它不是把程序的所有内容都放在内存中，因而能够运行比当前的空闲内存空间还要大的程序。它比覆盖技术做的更好，整个过程由操作系统自动来完成，无需程序员的干涉;

虚拟内存技术有交换技术的功能，能够实现进程在内存和外存之间的交换，因而获得更多的空闲内存空间。它比交换技术做的更好，它只对进程的部分内容在内存和外存之间进行交换。

虚拟内存技术的具体实现：

虚拟内存技术一般是在页式管理(下面介绍)的基础上实现

• 在装入程序时，不必将其全部装入到内存，而只需将当前需要执行的部分页面装入到内存，就可让程序开始执行;
• 在程序执行过程中，如果需执行的指令或访问的数据尚未在内存(称为缺页)。则由处理器通知操作系统将相应的页面调入到内存，然后继续执行程序;
• 另一方面，操作系统将内存中暂时不使用的页面调出保存在外存上，从而腾出更多空闲空间存放将要装入的程序以及将要调入的页面。

虚拟内存技术的特点：

• 大的用户空间：通过把物理内存与外存相结合，提供给用户的虚拟内存空间通常大于实际的物理内存，即实现了两者的分离。如32位的虚拟地址理论上可以访问4GB，而可能计算机上仅有256M的物理内存，但硬盘容量大于4GB;
• 部分交换：与交换技术相比较，虚拟存储的调入和调出是对部分虚拟地址空间进行的;
• 连续性：程序可以使用一系列相邻连续的虚拟地址来映射物理内存中不连续的大内存缓冲区;
• 安全性：不同进程使用的虚拟地址彼此隔离。一个进程中的代码无法更改正在由另一进程或操作系统使用的物理内存。

04虚拟内存如何映射到物理内存?

如图，CPU里有一个内存管理单元(Memory Management Unit)，简称MMU，虚拟内存不是直接送到内存总线，而是先给到MMU，由MMU来把虚拟地址映射到物理地址，程序只需要管理虚拟内存就好，映射的逻辑自然有其它模块自动处理。

（编辑：潍坊站长网）

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