虚拟内存：解决计算机内存瓶颈的核心技术

内存管理的三大核心问题

虚拟内存实现原理

地址空间映射机制

每个程序拥有独立的32位虚拟地址空间，通过页表（Page Table）映射到物理内存：

• 物理内存和虚拟内存被分割为固定大小的页（Page）（通常4KB）
• 虚拟地址 = 虚拟页号（Virtual Page Number） + 页内偏移（Offset）
• 物理地址 = 物理页号（Physical Frame Number） + 相同偏移量

页错误处理（Page Fault）

当CPU访问未加载到RAM的虚拟页时触发：

1. CPU产生异常并暂停程序执行
2. 操作系统选择最近最少使用的物理页移除
3. 若被移除页已被修改（脏页），则写入磁盘
4. 从磁盘加载目标页到物理内存
5. 更新页表并重新执行指令

⚠️ 注意：页错误处理涉及磁盘I/O，速度比RAM访问慢千倍以上，SSD虽能缓解但仍显著影响性能。

性能优化技术

TLB（Translation Lookaside Buffer）

专用硬件缓存近期使用的页表项，解决页表查询性能瓶颈：

• 现代CPU通常配备两级TLB（指令/数据分离）
• 典型TLB容量约4000条目
• 命中时翻译在1个时钟周期内完成
• 未命中时需访问内存中的页表

多级页表

解决单页表内存占用过大问题（50个进程需2GB页表内存）：

关键组件协作