早期系统：缺乏抽象
在计算机发展的早期，操作系统并未对内存提供抽象，其物理内存布局非常简单：
- 操作系统：本质上是一组函数库，通常驻留在物理内存的起始位置（如
0KB开始）。 - 应用程序：作为一个单一进程运行，占用操作系统之外的剩余物理内存（如从
64KB开始）。
在这种模式下，用户对系统的要求极少，操作系统开发者的工作也相对简单。
多道程序与时分共享
随着机器成本的增加，如何高效共享机器资源成为核心问题，演进过程如下：
1. 多道程序 (Multiprogramming)
- 核心理念：当一个进程等待 I/O 时，切换到另一个进程运行，从而提高 CPU 利用率 (Utilization)。
- 背景：早期机器成本极高，提升效率是首要任务。
2. 时分共享 (Time-sharing)
- 核心理念：强调 交互性 (Interactivity)，让多个用户能同时使用机器并获得及时响应。
- 实现方式的演进：
- 初级方案：运行一个进程，停止时将其全部内存状态保存到磁盘，再加载另一个进程。
- 问题：磁盘 I/O 太慢，随着内存增加，这种切换变得不可接受。
- 优化方案：将多个进程同时保留在内存中。在进程切换时，只需保存/恢复寄存器状态，效率大幅提升。
3. 新的挑战：保护 (Protection)
当多个程序同时驻留在内存时，安全性变得至关重要。必须确保一个进程无法读取或修改其他进程（或操作系统）的内存数据。
地址空间 (Address Space)
为了满足用户对易用性和安全性的需求，操作系统提供了一个物理内存的抽象，即 地址空间。它是运行程序所能看到的系统内存视图，是理解内存虚拟化的关键。
1. 地址空间的组成
一个典型的进程地址空间包含以下三个核心部分：
- 代码 (Code)：存储程序的指令。由于是静态的，通常放在地址空间的顶部（从
0开始）。 - 堆 (Heap)：用于管理动态分配的内存（如 C 语言中的
malloc()）。它位于代码段之下，并向 低地址方向 增长。 - 栈 (Stack)：用于保存函数调用信息、局部变量和参数。它从地址空间的底部开始，并向 高地址方向 增长。
布局约定将堆和栈放在两端并向相反方向增长，是为了最大限度地利用中间的空闲空间。这只是一种常见的布局约定。
2. 内存虚拟化 (Virtualizing Memory)
内存虚拟化的核心在于：程序看到的地址（虚拟地址）与真实的物理地址是分离的。
- 虚拟视图：程序认为自己被加载到地址
0，并拥有一个连续且巨大的地址空间。 - 物理现实：操作系统在硬件支持下，将虚拟地址映射到物理内存的任意位置（例如将虚拟地址
0映射到物理地址320KB）。
核心问题：如何虚拟化内存？操作系统如何在单一的物理内存上，为多个共享内存的进程构建出私有的、巨大的地址空间抽象？
3. 隔离原则 (The Principle of Isolation)
隔离是构建可靠系统的基石。
- 进程隔离：确保一个进程的失败或错误操作不会影响其他进程。
- 系统保护：防止运行程序读取或修改底层操作系统的内存，确保内核的稳定性。
虚拟内存的目标
虚拟内存（VM）系统的设计主要围绕以下三个核心目标：
- 透明性 (Transparency)：程序不应感知到内存被虚拟化的事实，其行为应像拥有私有物理内存一样。操作系统与硬件在幕后完成所有复用工作。
- 效率 (Efficiency)：
- 时间效率：虚拟化不应显著降低程序运行速度。
- 空间效率：支持虚拟化所需的额外内存开销应尽可能小。
- 注：高效虚拟化通常依赖硬件支持（如 TLB）。
- 保护 (Protection)：确保进程间的 隔离 (Isolation)。进程无法访问或修改其地址空间之外的任何内容（包括其他进程或操作系统的内存）。
程序员看到的地址全是假的在用户态程序中，你打印出的任何指针（如
main函数地址、malloc返回值、局部变量地址）都是 虚拟地址 (Virtual Address)。只有操作系统和硬件知道这些数据在物理内存中的真实位置。虚拟地址只是系统提供的一种内存分布假象。
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> int main(int argc, char *argv[]) { printf("location of code : %p\n", (void *) main); printf("location of heap : %p\n", (void *) malloc(1)); int x = 3; printf("location of stack : %p\n", (void *) &x); return 0; }
在接下来的章节中，我们将深入探讨实现这些目标所需的 机制 (Mechanism)（硬件与 OS 支持）和 策略 (Policy)（如空间管理与页面置换）。