什么是虚拟内存？

本质上，当过多计算机程序耗尽内存时，虚拟内存使操作系统能够将随机存取存储器 (RAM) 转用于硬盘驱动器。

一个简明的金融类比可以恰当地描述这种情形：把您计算机中的物理内存想象成个人支票账户里的钱。一切正常，所有功能都运转良好，直到您耗尽资金。一旦触及底线，您的银行（提供支票账户透支保护）便会发放透支（虚拟内存），暂时覆盖账户支出。 

这种透支有明显的限制。首先，财务上限控制着银行愿意支持的支出规模。另外，还有时间限制，规定金融机构允许这种状况持续多久，而无需向您的账户注入紧急资金。

虚拟内存是计算机系统的重要组成部分，能让整体运行更顺畅，但必须注意，它并非可持续的永久解决方案。它旨在提供应急容量的内存。更像是一种权宜之计，算是能把事情办成——但仅限于当下。 

虚拟内存是现代计算的产物；其核心不过是更新了“拆东墙补西墙”这一古老概念，即资源从一处转移到另一处。

中央处理器 (CPU) 是计算机的主要功能部件，它使用不同形式的内存。RAM 是一种更快、可更迅速访问的内存使用形式，但容量并非无限。而 CPU 的硬盘驱动器则提供了大量的磁盘存储空间，但访问时间较慢。

真实内存安装在 CPU 上。真实内存指的是 RAM 硬件，数据在其中被临时保存以供即时和活跃使用。（程序员也将真实内存称为物理内存或主内存。）相比之下，辅助存储器被认为是非易失性的，意味着即使机器关闭并断开电源，此类存储设备仍能保持存储能力。这与 RAM 不同，其他一些性能变量也有差异。 

倘若将这两种类型重新构造成汽车，RAM 就像一辆闪亮的小跑车：速度快、价格昂贵，且仅能勉强容纳一名驾驶员和一名乘客（容量小）。辅助存储器则速度较慢且更便宜，像一辆经济型小型货车，容量远大于主存储器。

硬盘驱动器，也称为硬磁盘驱动器 (HDD)，兼具存储单元和播放器的功能，而硬盘本身是 HDD 内部的物理盘片，磁性数据在其上编码。

在大多数情况下，HDD的使用已被固态驱动器 (SSD) 取代。SSD  执行相同的功能，但使用闪存，其形式为不需要活动部件的非易失性存储芯片。SSD 凭借其强劲的速度、更薄的物理外形和更低的功耗，优于 HDD。

虚拟内存的运作方式是，临时转换那些之前被使用过但随后一直休眠、未被使用一段时间的 RAM。操作系统从那些几乎未使用的 RAM 中提取数据，并将其放入硬盘驱动器上的交换文件（或页面文件）中。

然后，操作系统会将新清理出来的 RAM 立即投入使用。从该 RAM 中“借用”的额外内存有助于运行计算机用户的多个程序，不会出现任何系统性能故障，也不会察觉到运行速度下降。

关于数据，页面就像是通用货币，充当着基本的交换媒介。在虚拟内存管理中，它所调用的模块就是页面，即最小的数据单位。页面是连续的（相邻的）虚拟地址空间块。 

页面通常采用一种固定大小。最初，页面统一为 4 KB，这一大小历来是行业标准。近来，更现代的系统开始采用大得多的固定大小，甚至达到 2 MB 或 1 GB，乃至更大。 

在虚拟内存中，大多数页面为 4 KB 或 8 KB，具体取决于所遵循的架构。Microsoft Windows、Linux 和 Apple 的 macOS 均围绕 4 KB 的页面大小构建。UNIX 虚拟内存的页面大小则根据每个系统具体的硬件架构，按 32 位或 64 位系统来设定。（UNIX 系统通常为每个执行的进程分配 3 GB 到 4 GB 内存。）

在特定操作系统内，所有页面通常都会遵循同一种页面大小。这一规则的例外是动态分区，它会根据特定需求提供不同 大小的内存。让页面大小完全相同，能让操作系统更轻松地协同管理所有页面。

此外，由于大小一致，操作系统也更容易防止外部碎片的产生。外部碎片是指未使用的小块内存散布在已分配的内存块之间。其结果就是：可用内存过少，无法分配出一个连续有用的内存块。 

通过使用页面，操作系统可以映射出某个进程的逻辑内存，实质上将其转换为页框形式的非连续物理内存。页框是物理内存 (RAM) 的块，操作系统将其用作存放内存页面的一种容器。页框的大小与页面本身的大小一致，无论是 4 KB 还是更大的尺寸。 

CPU 会创建虚拟内存地址，作为内存位置引用，供该操作系统上运行的软件进程使用。程序员使用页表来跟踪和管理页框，并将其作为主要的数据结构。页表条目用于将虚拟地址链接到操作系统内的物理地址。 

虚拟页号 (VPN) 使用虚拟地址的前 20 位，作为该计算机进程虚拟内存空间中虚拟地址空间的标识符。页号标识了页面，以便内存管理单元 (MMU) 能够从物理内存帧或磁盘中检索到它。

同时，地址的其余部分用作页偏移量，用于指定该页面在操作系统中的确切物理位置，精确到每个单独字节的位置。

在理想情况下，计算机的 RAM 足以运行程序。然而，现代计算极为适合多任务处理，同时运行多个程序，这很容易扰乱内存分配过程。这种更高的需求经常对操作系统的可用内存提出过度要求。 

当可用磁盘空间完全耗尽时，虚拟内存便会介入，维持程序运行。然而，这种运行扩展通常代价高昂：运行速度。虚拟内存的运转速度比物理 RAM 慢（因为访问存储驱动器需要更长时间）。因此，操作系统占用的虚拟内存越多，操作者就越可能遭遇性能下降。 

这种性能下降称为“抖动”。抖动也指一种持续且功能失常的运行状态，操作系统将大部分处理能力用于在内存中换入换出数据，而非执行代码。

另一种经常发生的现象称为“缺页”。缺页发生在运行中的程序试图获取某个数据页，而该页当时未映射到其物理 RAM 中时。

这会引发硬件中断，同时操作系统内核中的缺页处理程序被激活。操作系统内核从辅助存储源访问所需数据。然后，操作系统更新跟踪所有虚拟地址及其对应物理地址 的页表，之后返回正常的程序运行。 

缺页有多种形式，每种根据其严重程度分类：

• 次要缺页：次要（或“软”）缺页指这样一种情况，即特定页可在物理内存中找到，但尚未映射到该进程的页表或共享内存中。
• 主要缺页：当所需页面完全不在 RAM 中时，缺页就成为主要缺页，这意味着该页必须从磁盘加载——这必然导致加载过程更长。
• 无效缺页：最严重的缺页试图阻止访问非法内存的操作。由此产生的操作——段错误——通常会导致程序停止运行。

操作系统简化处理的一种方式是通过需求分页。这种技术放弃预先加载整个程序，而仅加载任何特定时刻所需的那些页面。

好处是，系统可以通过这种方式运行更多程序。缺点则是可能意味着高发的缺页（可能导致抖动），原因是不断中断程序运行以从存储中检索页面。

多种基于算法的方法与需求分页结合使用。这些页面置换算法各自以独特的思路处理问题： 

• 有些系统采用最近最少使用 (LRU) 方法。这种缓存淘汰算法可以描述为“不用即弃”。LRU 通过根据缓存项未被使用的时间长度来清理缓存，帮助优化内存使用。如果缓存达到最大容量，在缓存中驻留最长时间而未被访问的项将被从缓存中删除。 
• 先进先出 (FIFO) 涉及最早按顺序加载的最旧页面。如果缓存已满，该页面将第一个被淘汰。
• 二次机会算法实际上是对先进先出算法的复核，它会检查以确保即将被淘汰的页面最近未被以任何方式使用过。
• 顾名思义，最佳算法表示一种最理想的情况，即（非常出色的）算法推断出哪个页面未来被使用的可能性最小，并标记它以备后续淘汰。由于最佳算法需要如此复杂的预测，它通常被认为更适合用于理论讨论和规划目的，而非实际实现。