操作系统

虚拟内存：程序看到的地址是怎么翻译的

每个程序都以为自己独占一大片内存，其实背后有一层翻译。

概况

以 Linux 上一个程序读取自己内存中的一个变量为例，只讲概念。

一句话总结: 程序用虚拟地址，硬件按页表翻译成物理地址
好处: 隔离、布局统一、物理内存可以不连续
页: Linux 在 x86-64 上通常以 4KB 为一页；大页（如 2MB）用来减少翻译开销
页表: 每个进程一套，由内核维护
TLB: 最近翻译结果的缓存
权限位: 每页记着可读、可写、可执行、用户可访问，违反即触发异常
多级页表: x86-64 通常 4 级，只为用到的区域建表
写时复制: fork 后共享只读页，写时才复制
swap: 不常用的页换到磁盘；频繁换页叫抖动

步骤 9 / 9

内存不够时：换出到磁盘

物理内存不够时，内核可以把不常用的页写到磁盘，腾出空间。

虚拟内存让“程序以为有的内存”可以大于物理内存。内核挑最近不常用的页写到交换区（swap）或丢掉可重新读取的文件页，并在页表里标记“不在内存”；再访问时触发缺页，再读回来。读磁盘比读内存慢成千上万倍，所以频繁换进换出（抖动）时整台机器会变得非常卡。

事件日志（9）

当前状态	发生了什么
用户态	程序想读取一个变量
用户态	地址落在“堆”区域
用户态	查页表，得到物理地址
翻译中	逐级查找页表
动手实验	地址被拆成 4 个 9 位下标和 12 位偏移
用户态	TLB 命中，翻译几乎零开销
共享	多个页表指向同一页
用户态	程序读到了变量的值
换出	腾出物理页