有關虛拟記憶體

real，virtual，transparent的差別

如果它存在，而且你能看到它，那麼它是真實的（real）;

如果它不存在，但你能看見它，那麼它是虛拟的（virtual）;

如果它存在，但是你看不見它，那麼它是透明的（transparent）。

對應到記憶體，我們可以知道，實體記憶體是透明的，我們在編寫程式時感覺不到它的存在；而程式真正感覺到的，也就是指針、堆棧、資料區、代碼區所存在的，是虛拟記憶體，也就是virtual memory。

作業系統應該給上層的應用程式以充分發揮的空間，是以，不應該盲目的限制配置設定給一個程序多大的位址空間。而記憶體資源畢竟是有限的，現代作業系統對多任務的處理又是一個标配，那應該如何辦呢？在這種情況下，虛拟記憶體出現了，它的基本思路是用廉價但緩慢的磁盤來擴充快速卻昂貴的記憶體（存儲器山永遠是存在的，無論技術如何發展）。在任一時刻，實體記憶體僅儲存實際需要的資料，不需要的，作業系統會負責将其轉入硬碟（廣義的）之中，這一切是對程式員透明的。

多層存儲與之類似，除了硬碟和記憶體外，還要考慮CPU寄存器，L1、L2緩存，以及廣義的網絡裝置。

按照 寄存器，L1、L2緩存，記憶體，硬碟，網絡裝置的順序，通路速度逐漸降低，機關bit的成本逐漸升高。這樣一種金字塔型的體系結構，通過犧牲一些通路速度來大幅降低存儲系統的實作成本。而如果應用程式以及作業系統設計的足夠緩存友好（cache-friendly）的話，對程式的運作速度影響不大。這就會引出如何設計實作cache-friendly程式的問題，這個以後再講。

作業系統負責虛拟記憶體的具體實作細節。在作業系統的協助下，每個程序都以為自己擁有整個位址空間的獨家通路權。而這個幻覺就是通過“虛拟記憶體”實作的。記憶體管理硬體（MMU注意，速度要求，這是有硬體實作的，需要晶片的支援）負責把虛拟位址翻譯成實體位址，并讓一個程序始終運作于系統的真正記憶體中。應用程式程式員隻看到虛拟位址，并不知道自己的程序在磁盤和記憶體之間來回切換。

虛拟記憶體通過頁（page）的形式來組織。在磁盤上，有一個特殊的“交換區”，用于儲存從記憶體中換出的程序。在我們普通的pc上，交換區的大小一般是實體記憶體的幾倍。在windows上可以通過“我的電腦”->進階->性能->設定來自行設定，而linux則多為安裝時設定swap分區大小（我自己曾因為swap分區設定和記憶體一樣導緻無法待機）。隻用使用者程序被換出，而系統程序是常駐與記憶體的，當然也包括負責使用者程序排程的系統程序。而這些，對應用程式程式員以及最終的作業系統使用者都是透明的。

程序隻能操作位于實體記憶體中的頁面。當程序引用不在實體記憶體中的頁面時，MMU通過産生一個頁錯誤通知核心進行響應。核心判斷這個響應，判斷該引用是否有效。如果無效向上彙報（産生segmentation violation信号），如果有效，則從磁盤取出該頁進入記憶體，繼續程式的執行。

用下面這個簡單的程式，我們可以判斷一個程序可以配置設定多大的記憶體：

#include<cstdio>

#include<cstdlib>

using namespace std;

int main()

{

int MB = 0;

while(malloc(1<<20)) MB++;

printf("Allocated %d MB total/n",MB);

//system("pause");

}

在我windows 本地機器上，可以看到得到的結果是857MB（不同次運作會有差别），在linux機器上得到的結果是3056MB，而win的虛拟記憶體設定是1024MB，可以發現這個結果略小于虛拟記憶體的大小，也就是說，一個程序可以配置設定的記憶體大小是和虛拟記憶體大小直接相關（保證虛拟記憶體始終可以把這個程式的“全部”都裝進去），而和實體記憶體實際大小關系不大。