內存是程序得以運行的重要物質基礎。如何在有限的內存空間運行較大的應用程序，曾是困擾人們的一個難題。為解決這個問題，人們設計了許多的方案，其中最成功的當屬虛擬內存技術。Linux作為一個以通用為目的的現代大型操作系統，當然也毫不例外的采用了優點甚多的虛擬內存技術。

為了運行比實際物理內存容量還要大的程序，包括 Linux在內的所有現代操作系統幾乎毫無例外的都采用了虛擬內存技術。
虛擬內存技術，可讓系統看上去具有比實際物理意義內存大的多的內存空間，并為實現多道程序的執行創造了條件。

虛擬內存的概念

總所周知，為了對內存中的存儲單元進行識別，內存中的每一個存儲單元都必須有一個確切的地址。而一臺計算機的處理器能訪問多大的內存空間就取決于處理器的程序計數器，該計數器的字長越長，能訪問的空間就越大。

例如：對于程序計數器位數為32位的處理器來說，它的地址發生器所能發出的地址數目為2^32=4G個，于是這個處理器所能訪問的最大內存空間就是4G。在計算機技術中，這個值就叫做處理器的
尋址空間或 尋址能力。

照理說，為了充分利用處理器的尋址空間，就應按照處理器的最大尋址來為其分配系統的內存。如果處理器具有32位程序計數器，那么就應該按照下圖的方式，為其配備4G的內存：

這樣，處理器所發出的每一個 地址都會有一個真實的 物理存儲單元與之對應;同時，每一個 物理存儲單元都有唯一的地址與之對應。這顯然是一種最理想的情況。

但遺憾的是，實際上計算機所配置內存的實際空間常常小于處理器的尋址范圍，這是就會因處理器的一部分尋址空間沒有對應的物理存儲單元，從而導致處理器尋址能力的浪費。例如：如下圖的系統中，具有32位尋址能力的處理器只配置了256M的內存儲器，這就會造成大量的浪費：

另外，還有一些處理器因外部地址線的根數小于處理器程序計數器的位數，而使地址總線的根數不滿足處理器的尋址范圍，從而處理器的其余尋址能力也就被浪費了。例如：Intel8086處理器的程序計數器位32位，而處理器芯片的外部地址總線只有20根，所以它所能配置的最大內存為1MB：

在實際的應用中，如果需要運行的應用程序比較小，所需內存容量小于計算機實際所配置的內存空間，自然不會出什么問題。但是，目前很多的應用程序都比較大，計算機實際所配置的內存空間無法滿足。

實踐和研究都證明：一個應用程序總是逐段被運行的，而且在一段時間內會穩定運行在某一段程序里。

這也就出現了一個方法：如下圖所示，把要運行的那一段程序自輔存復制到內存中來運行，而其他暫時不運行的程序段就讓它仍然留在輔存。

當需要執行另一端尚未在內存的程序段(如程序段2)，如下圖所示，就可以把內存中程序段1的副本復制回輔存，在內存騰出必要的空間后，再把輔存中的程序段2復制到內存空間來執行即可：

在計算機技術中，把內存中的程序段復制回輔存的做法叫做 換出，而把輔存中程序段映射到內存的做法叫做換入。經過不斷有目的的換入和換出，處理器就可以運行一個大于實際物理內存的應用程序了。或者說，處理器似乎是擁有了一個大于實際物理內存的內存空間。于是，這個存儲空間叫做
虛擬內存空間，而把真正的內存叫做 實際物理內存，或簡稱為 物理內存。

那么對于一臺真實的計算機來說，它的虛擬內存空間又有多大呢?計算機虛擬內存空間的大小是由程序計數器的尋址能力來決定的。例如：在程序計數器的位數為32的處理器中，它的虛擬內存空間就為4GB。

可見，如果一個系統采用了虛擬內存技術，那么它就存在著兩個內存空間： 虛擬內存空間和 物理內存空間。虛擬內存空間中的地址叫做虛擬地址;而實際物理內存空間中的地址叫做 實際物理地址或物理地址。處理器運算器和應用程序設計人員看到的只是虛擬內存空間和虛擬地址，而處理器片外的地址總線看到的只是物理地址空間和物理地址。

存儲管理單元MMU

由于存在兩個內存地址，因此一個應用程序從編寫到被執行，需要進行兩次映射。第一次是映射到虛擬內存空間，第二次時映射到物理內存空間。在計算機系統中，第兩次映射的工作是由硬件和軟件共同來完成的。承擔這個任務的硬件部分叫做存儲管理單元MMU，軟件部分就是操作系統的 內存管理模塊了。

在映射工作中，為了記錄程序段占用物理內存的情況，操作系統的內存管理模塊需要建立一個
表格，該表格以虛擬地址為索引，記錄了程序段所占用的物理內存的物理地址。這個虛擬地址/物理地址記錄表便是存儲管理單元MMU把虛擬地址轉化為實際物理地址的依據，記錄表與存儲管理單元MMU的作用如下圖所示：

綜上所述，虛擬內存技術的實現，是建立在應用程序可以分成段，并且具有“在任何時候正在使用的信息總是所有存儲信息的一小部分”的局部特性基礎上的。它是通過用輔存空間模擬RAM來實現的一種使機器的作業地址空間大于實際內存的技術。

從 處理器運算裝置和程序設計人員的角度來看，它面對的是一個用MMU、映射記錄表和物理內存封裝起來的一個虛擬內存空間，這個存儲空間的大小取決于處理器程序計數器的尋址空間。

可見，程序映射表是實現虛擬內存的技術關鍵，它可給系統帶來如下特點：

系統中每一個程序各自都有一個大小與處理器尋址空間相等的虛擬內存空間;

在一個具體時刻，處理器只能使用其中一個程序的映射記錄表，因此它只看到多個程序虛存空間中的一個，這樣就保證了各個程序的虛存空間時互不相擾、各自獨立的;

使用 程序映射表可方便地實現物理內存的 共享。

至于Linux的虛擬內存技術，會在下一篇文章中講述。