C专家编程 第7章 对内存的思考 7.3 虚拟内存

虚拟内存
如果它存在，而且你能看见它---它是真实的（real）
如果他不存在，但你能看见他---它是虚拟的（virtual）
如果它存在，但你看不见他---它是透明的（transparent）
如果他不存在，而且你也看不见他---那肯定是你把它擦掉了。

                                                                        ---IBM用于解释虚拟内存的张贴画，大约是在1978年

虚拟内存的概念，目的就是为了去除这个限制。它的基本思路是用廉价但缓慢的磁盘来扩充快速却昂贵的内存。在任一给定时刻，程序实际需要使用的虚拟内存区段的内容就被载入物理内存中。当物理内存中的数据有一段时间未被使用时，它们就有可能被转移到硬盘中，节省下来的物理内存空间用于载入需要使用的其他数据。除了PC之外（现在的Windows系统也使用了虚拟内存），都使用了虚拟内存。

多层存储是一个类似的概念，我们可以在一台计算机中到处看到它的存在（如在寄存器和主存中）
。从理论上说，内存的每个位置都可以用寄存器来代替。虚拟内存只是对多层存储进行扩充，使用磁盘而不是主存来保存运行进程的映像，所以说它们实际上是同一种策略。

内存媒介的速度与成本关系
慢速访问                       <--------                        快速访问
磁带        磁盘        内存        cache寄存器              CPU寄存器
成本低，容量大                                               成本高，容量小

SunOS中的进程执行于32位地址空间。操作系统负责具体细节，使每个进程都以为自己拥有整个地址空间的独家访问权。这个幻觉是通过“虚拟内存”实现的。所有进程共享机器的物理内存，当内存用完时就用磁盘保存数据。在进程运行时，数据在磁盘和内存之间来回移动。
内存管理硬件负责把虚拟地址翻译成物理地址，并让一个进程始终运行于系统的真正的内存中。应用程序程序员只看到虚拟地址，并不知道自己的进程在磁盘和内存之间来回切换，除非他们观察运行时间或者使用诸如ps之类的系统命令。
                                                                          CPU
                                4GB                                      ^ 
进程虚拟地址空间                                                 | 
                                                                                                  ------>物理地址（几GB） 
                                               虚拟地址<------ 内存管理单元     ------>物理地址（几十MB）     
系统中的每个进程                                            （MMU） 
都有自己的地址空间   
                                  0 

虚拟地址通过页的形式组织。页就是操作系统在磁盘和内存之间移来移去或进行保护的单位，一般为几KB。可以通过/usr/ucb/pagesize来观察你的系统中的页面大小。当内存的映像在磁盘和物理内存间来回移动时，称它们是page in(移入内存)或page out(移到磁盘)。

从潜在的可能性上说，与进程有关的所有内存都将被系统所使用。如果该进程可能不会马上运行（比如它的优先级低，也可能是它处于睡眠状态），操作系统可以暂时取回所有分配给它的物理内存资源，将该进程的所有相关信息都被备份到磁盘上。这样，这个进程就被“换出”。在磁盘中有一个特殊的“交换区”，用于保存从内存中换出的进程。在一台机器中，交换区的大小一般是物理内存的几倍。只有用户进程才会被换进换出，SunOS内核常驻于内存中。

进程只能操作位于物理内存中的页面。当进程引用一个不在物理内存中，内存管理单元（MMU）
就会产生一个页错误。内核对此事件作出反应，并判断该引用是否有效。如果无效，那么内核向进程发出一个“segmentation violation”（段违规）的信号。如果有效，内核就从磁盘取回该页，换入到内存中。一旦页面进入内存，进程便被解锁，可以重新运行---进程并不知道它曾经因为页面换入事件等待了一会儿。

SunOS对于磁盘的文件系统和主存有一种统一的观点。操作系统使用相同的底层数据结（vnode，
或称为“虚拟结点”）来操纵这两者。所有的虚拟内存操作都处于同样的设计哲学，就是把文件区域映射到内存区域中。这可以提高性能，并允许客观的代码复用。你可能听说过“hat layer”（帽子层）---这就是驱动MMU的“硬件地址翻译”软件。它极度依赖硬件，每出现一个新的计算机架构，它都必须重新改写。

虚拟内存技术已成为操作系统中一项不可或缺的技术，它允许多个进程运行于较小的物理内存中。 

/*你可以分配多大的内存*/

#include
#include

int main() {
    int MB = 0;
    while (malloc(1 << 20)) ++MB;
    printf("Allocated %d MB total\n", MB);
    return 0;} 
/* 输出： 

*/ 

/*总共分配的内存量取决于交换区和你的系统配置中的进程限制。
 *为了让这个程序能够在内存限制的MS-DOS上运行，把每次分配的单元从
 *1MB改为1KB（就是把1<<20改为1<<10，并用KB代替MB）。
 */