虚拟内存如何工作？

你有没有想过😲，8GB 的​​游戏如何在只有 4GB RAM 的电脑上运行？或者，你可以同时播放多部电影，而这些电影的总容量甚至超过了 RAM 的大小？如果你是一名软件开发人员，你可能会遇到像多任务或多处理这样的词，这是这背后的一个关键概念。换句话说，它创建了虚拟内存，这是一种内存管理技术。在这里，我们将了解它的工作原理。

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虚拟内存如何工作？

• 假设操作系统需要 120 MB 内存来容纳所有正在运行的程序。
• 但目前 RAM 芯片上仅存储了 50 MB 的可用物理内存。
• 然后，操作系统将设置 120 MB 的虚拟内存，并使用称为虚拟内存管理器 (VMM) 的程序来管理这 120 MB。
• VMM 将在硬盘上创建一个大小为 70 MB（120 - 50）的文件，以满足所需的额外内存需求。
• 现在，操作系统将继续寻址内存，就好像 RAM 中实际存储了 120 MB 的实际内存，即使实际上只有 50 MB。
• VMM 负责处理只有 50 MB 真实内存的情况。

/!\:如果你想深入了解虚拟内存的实现，那你来错地方了。本文只会帮你理清“虚拟内存是如何工作的”这个概念！

传说

VMM 如何工作？

• VMM 在硬盘上创建一个文件，用于保存操作系统所需的额外内存，在我们的例子中，该文件大小为 70 MB。
• 该文件称为分页文件（又名交换文件/页框）并在虚拟内存中起着重要作用（即虚拟内存如何工作）。
• 分页文件与 RAM 相结合占据了全部内存。
• 每当操作系统需要不在主（RAM）内存中的一块内存时，VMM 就会从最近未使用的实际内存中取出一块内存，将其写入分页文件，然后从分页文件中读取操作系统所需的内存块。
• 然后，VMM 从分页文件（当前需要）中获取内存块并将其移动到主内存中 - 代替旧块。
• 这个过程称为交换（也称为分页），被交换的内存块称为页面。这个过程有几种算法，称为页面替换算法。
• 当前存在于 RAM 中且专用于特定进程的页面组称为该进程的工作集。

为什么要使用虚拟内存？

• 人们想要这样做的原因有两个：
  1. 允许使用太大而无法在内存中物理容纳的程序。
  2. 另一个原因是允许多任务处理。
• 在虚拟内存出现之前，文字处理器、电子邮件程序和浏览器无法同时运行，除非有足够的内存同时容纳这三个程序。
• 这意味着必须关闭一个程序才能运行另一个程序，但现在有了虚拟内存，即使没有足够的内存来同时容纳所有正在执行的程序，也可以进行多任务处理。

哪个操作系统实现了虚拟内存？

• 一些最流行的操作系统，如 Windows、Mac OSX 和 Linux 都实现了 VMM。

虚拟内存会降低性能（抖动）！

• 如果虚拟内存的大小与主内存相比相当大，那么就会发生更多的与硬盘的交换。
• 访问硬盘比使用主存储器（RAM）慢得多。
• 在 RAM 不足的系统中同时使用太多程序会导致不断的磁盘交换（也称为磁盘抖动），这会严重降低系统性能。

与虚拟内存相关的术语

页

• 在分页方案中，操作系统以称为页面的相同大小的块从硬盘检索数据。

分页

• 它是一种 VMM 方案，通过该方案，计算机可以从二级存储器（硬盘 - 现在为 SSD）存储和检索数据，以供实际内存（RAM）使用。
• 分页使程序超出可用物理内存的大小并形成虚拟内存。

页面错误

• 当程序尝试访问已映射到地址空间但未加载到物理内存（RAM）中的页面时，就会发生页面错误。
• 这意味着程序必须访问分页文件（位于硬盘上）来检索所需的页面。

结合页面、分页和页面错误术语

• 当操作系统创建虚拟内存时，它将使用分页方案，通过该方案将一些内存块加载到 RAM 中，其余部分作为分页文件存储在 HDD（在某些情况下为 SSD）中
• 当我们的程序（应用程序）寻找不在 RAM 中而是存储为分页文件的内容时，就会发生页面错误。
• 有许多复杂的算法可以降低页面错误率，例如 LRU、MFU、FIFO、NRU 等