CSDN|真棒！20 张图揭开内存管理的迷雾

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有不少读者跟我反馈，能不能写图解操作系统？既然那么多读者想看，我最近就在疯狂的复习操作系统的知识。操作系统确实是比较难啃的一门课，至少我认为比计算机网络难太多了，但它的重要性就不用我多说了。学操作系统的时候，主要痛苦的地方，有太多的抽象难以理解的词语或概念，非常容易被劝退。即使怀着满腔热血的心情开始学操作系统，不过 3 分钟睡意就突然袭来。。。该啃的还是得啃的，该图解的还是得图解的，万众期待的「图解操作系统」的系列来了。本篇跟大家说说内存管理，内存管理还是比较重要的一个环节，理解了它，至少对整个操作系统的工作会有一个初步的轮廓，这也难怪面试的时候常问内存管理。干就完事，本文的提纲：

虚拟内存如果你是电子相关专业的，肯定在大学里捣鼓过单片机。单片机是没有操作系统的，所以每次写完代码，都需要借助工具把程序烧录进去，这样程序才能跑起来。另外，单片机的 CPU 是直接操作内存的「物理地址」。

在这种情况下，要想在内存中同时运行两个程序是不可能的。如果第一个程序在 2000 的位置写入一个新的值，将会擦掉第二个程序存放在相同位置上的所有内容，所以同时运行两个程序是根本行不通的，这两个程序会立刻崩溃。操作系统是如何解决这个问题呢？这里关键的问题是这两个程序都引用了绝对物理地址，而这正是我们最需要避免的。我们可以把进程所使用的地址「隔离」开来，即让操作系统为每个进程分配独立的一套「虚拟地址」，人人都有，大家自己玩自己的地址就行，互不干涉。但是有个前提每个进程都不能访问物理地址，至于虚拟地址最终怎么落到物理内存里，对进程来说是透明的，操作系统已经把这些都安排的明明白白了。

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进程的中间层操作系统会提供一种机制，将不同进程的虚拟地址和不同内存的物理地址映射起来。如果程序要访问虚拟地址的时候，由操作系统转换成不同的物理地址，这样不同的进程运行的时候，写入的是不同的物理地址，这样就不会冲突了。于是，这里就引出了两种地址的概念：操作系统引入了虚拟内存，进程持有的虚拟地址会通过 CPU 芯片中的内存管理单元（MMU）的映射关系，来转换变成物理地址，然后再通过物理地址访问内存，如下图所示：

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虚拟地址寻址操作系统是如何管理虚拟地址与物理地址之间的关系？主要有两种方式，分别是内存分段和内存分页，分段是比较早提出的，我们先来看看内存分段。内存分段程序是由若干个逻辑分段组成的，如可由代码分段、数据分段、栈段、堆段组成。不同的段是有不同的属性的，所以就用分段（Segmentation）的形式把这些段分离出来。分段机制下，虚拟地址和物理地址是如何映射的？分段机制下的虚拟地址由两部分组成，段选择子和段内偏移量。