目录
1.内存
内存是计算机的主存储器，它为进程开辟出进程空间，让进程在其中保存数据。它的最小的存储单位一般是字节。内存会为每各字节进行编号，从0开始依次递增（线性的）。通常我们会用16进制来表示内存的地址。同时，内存地址的编号范围和地址总线的个数是直接相关的，例如地址总线的个数为32，那么内存的地址编号范围为0x00000000到0xFFFFFFFF(为2的32次方)。
当代操作系统既要求能够使多个程序共享系统资源，同时还要求内存限制对程序开发者透明，在此需求下，虚拟内存应运而生。
2.虚拟内存
虚拟内存实际上是在磁盘上划分一块进程专属的空间去充当内存。虚拟内存（逻辑地址）支持程序访问比系统物理可用内存大的多的内存空间，而且也使得多个程序共享内存变量变得高效。虚拟内存依靠透明的使用磁盘空间，得以使程序运行起来好像它们使用比系统物理内存更多的内存空间。磁盘相比于物理内存更加低廉，而且容量巨大，因此可以作为物理内存的扩充。之所以称虚拟内存，就是因为磁盘存储体可以有效的充当内存，但它并不是内存。
下图描述了多级数据存储体的层次关系:
运行中的每个进程都有自己的一套虚拟内存空间，空间的大小一般与地址总线的个数有关，32为操作系统的虚拟内存大小为2的32次方（4G）。同时，虚拟内存的编号方法与物理内存类似。从功能上说，虚拟内存地址和物理内存地址的功能是相同的，都是为数据提供位置索引。由于每个进程都有一份独立的虚拟内存空间，所以不同进程中虚拟地址相同的地址表示数据很可能不一样，如下图所示：（图中的进程空间相当于磁盘上的某一块空间）
因此，进程对物理内存是一无所知的，因为虚拟内存的存在将进程与物理内存隔离开来，只能通过MMU（内存管理单元）将虚拟内存地址转换成物理内存地址，间接的去访问物理内存。从本质上说，虚拟内存的存在，剥夺了进程直接访问物理内存的权力，但是吗，正是因为如此，才保证进程之间的相互独立性，减少了进程出错的可能性。
另一方面，有了虚拟内存地址，内存共享也变得简单。操作系统可以把同一物理内存区域对应到多个进程空间。这样，不需要任何的数据复制，多个进程就可以看到相同的数据。内核和共享库的映射，就是通过这种方式进行的。每个进程空间中，最初一部分的虚拟内存地址，都对应到物理内存中预留给内核的空间。这样，所有的进程就可以共享同一套内核数据。共享库的情况也是类似。对于任何一个共享库，计算机只需要往物理内存中加载一次，就可以通过操纵对应关系，来让多个进程共同使用。
使用虚拟内存的优点：
可以弥补物理内存大小的缺陷，使每个进程都有自己的独立空间，同时使数据共享成为可能。
缺点：
使用虚拟内存会占用一定的磁盘空间，加大了对磁盘的读写。
3.内存的分页管理
使用虚拟内存的时候，我们需要建立虚拟地址与物理地址的对应关系，如果我们继续使用存储的最小单位（字节）充当存储的基本单元，那么就需要为每个字节都去建立一个对应关系，这样会消耗巨大的计算机存储资源。因此操作系统采用分页的机制来建立这种对应关系，所谓分页，就是以更大的尺寸去充当存储的基本单元，在Linux系统中一个页的大小通常是4KB=4096字节。
linux分页管理即是：
将虚拟地址空间以4KB的大小，分成若干个页，对页进行编号（从0开始），并从0开始在页内进行编号。首先看如下32位寻址空间的虚拟地址结构图：
上述数字均为16进制，前12位表示页内偏移地址，后20位表示页号，因此在进程的虚拟地址空间中，页的大小和页的数目分别如下：
2^12 = 4KB
2^20 = 1M
因此32位系统的寻址能力位：1M x4KB = 4G.
同时，物理内存也会按照同样的大小（4KB），分成框或块，也是对块进行编号，同时块内进行编号。
同时操作系统还会通过维护一张表（页表），记录了每一页和框的对应关系。如下图：（图中是简单的单级页表，linux中采用了多级页表，道理一样，都是逐层建立对应关系）
由于各个进程的各个页离散的存储在内粗内得不同物理块上，页表的存在，使得进程能在内存中找到每个页面所对应的物理块，保证了进程的正确运行。
内存的分页，可以极大地减少所要记录的内存的对应关系。由于每页的大小式4096个字节，因此内存中的总页数只是总字节数的4096分之一。对应关系也缩减为以字节为基本存储单元的4096分之一。分页让虚拟内存地址的设计有了实现的可能。
1.虚拟内存地址到物理内存地址的寻址
对于某特定机器，其地址结构式一定的。若给定一个逻辑地址空间中的地址A，页面大小L，则页号P和页内地址可通过下面方式求得：
P = int[A/L] []表示向下取整。
d = A %L
根据页表和页号P可以找到物的理内存中对应块，数据的地址就位于块内的地址d处。
2.磁盘地址（虚拟内存空间）到物理内存地址的映射
由于程序的数据一般先存储与磁盘中（不是内存），当我们使用虚拟内存的时候，磁盘中的数据也被分割成以页为单位的基本单元，页可以在磁盘与内存之间来回移动。这样，程序正在使用的那部分数据所属的页就可以从磁盘中至于内存中，以便进行快速的访问，而未使用的部分则被临时存储在磁盘中，如此可以减轻待访问数据存放在磁盘中而导致读取时间过长的问题。当进程访问一个地址时，该地址所在的页被载入内存，对页中任意一数据的请求都会变成对该页的访问。如果页中的任一地址以前都没有访问过，说明该页并没有装入内存（因为只有进程需要，才会将对应页装入内存，所以装入内存中的页一定是访问过的）。对页中地址的第一次访问便会产生一个失败或缺页（因为第一次访问的时候，所访问的页肯定不在内存中），因此必须从磁盘中进行请求。当发生缺页的时候，内核必须选择一个页面，然后将其内容写回到磁盘，从而用程序刚刚请求的页的内容来填充它。页面的选择通过缺页置换算法来确定。
3.虚拟内存是如何工作的
当每个进程创建的时候，内核会为进程分配4G的虚拟内存，当进程还没有开始运行时，这只是一个内存布局。实际上并不立即就把虚拟内存对应位置的程序数据和代码（比如.text .data段）拷贝到物理内存中，只是建立好虚拟内存和磁盘文件之间的映射就好（叫做存储器映射）。这个时候数据和代码还是在磁盘上的。当运行到对应的程序时，进程去寻找页表，发现页表中地址没有存放在物理内存上，而是在磁盘上，于是发生缺页异常，于是将磁盘上的数据拷贝到物理内存中。
另外在进程运行过程中，要通过malloc来动态分配内存时，也只是分配了虚拟内存，即为这块虚拟内存对应的页表项做相应设置，当进程真正访问到此数据时，才引发缺页异常。
可以认为虚拟空间都被映射到了磁盘空间中（事实上也是按需要映射到磁盘空间上，通过mmap，mmap是用来建立虚拟空间和磁盘空间的映射关系的）
参考文章：
https://www.cnblogs.com/vamei/p/9329278.html
https://www.cnblogs.com/leohahah/p/6921731.html
https://baike.baidu.com/item/基本分页存储管理方式/7866872?fr=aladdin
https://blog.csdn.net/u014338577/article/details/82750771
《unix内核编程》
