“虚拟内存是现代计算机、操作系统的基石，但为什么虚拟内存在编程中，毫无存在感？为什么也有人：虚拟内存就是一个骗子？”
人人都听说过虚拟内存，人人似乎都没有用过虚拟内存。为什么说虚拟内存是现代操作系统过的基石？没有虚拟内存的世界，会是什么样子？为什么苹果最近才打开SWAP功能？让我们用CPU的视角，去解答所有的问题。
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提出问题
请问你的手机、电脑上的内存有大？4GB、8GB、还是：128GB？你手机上的APP，知道手机有这么大的内存吗？
实际上，无论是“王者荣耀”APP，还是你的 Hello World 程序，它们都认为你的内存大约有：40亿个4GB 这么大。
在我们学习C/C 编程时，我们很少提及：虚拟内存。但忽视虚拟内存的存在，难免会对程序和操作系统的行为产生一些误解。让我们一起讨论一下这个最强大、最无感的技术：虚拟内存。
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虚拟内存原理
先简单介绍一下：虚拟内存的工作原理。虚拟内存，就是在物理内存的基础上，为每一个进程营造一个更加庞大的内存：
这个虚拟内存的空间大小，由CPU的位数决定，也就是CPU能寻址多少位，虚拟内存就有多大。32位的CPU，虚拟内存的空间是：4GB；64位的CPU，虚拟内存的空间就是：4G * 4GB。
从此以后，CPU都会在这个虚拟内存中，进行读、写操作。但毕竟是虚拟的，真实数据最终还是要存储在实际的物理内存上。所以，还需要内存管理单元MMU和操作系统一起合作，实现虚拟内存到物理内存之间的映射：
由于有硬件加持，这种映射对程序员是无感的，也不影响CPU的运行效率。这就是虚拟内存，大概的工作原理。
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减少内存碎片
那使用虚拟内存有什么好处呢？第一个好处是：减少内存碎片。例如，下面是一块物理内存，一共有连续的12KB（假设相互临近的两个内存颗粒，它们的内存空间是连续的）。程序APP 1需要用到4KB内存，如果它成功申请到了中间的4KB内存后，剩下的空闲内存总量就还剩8KB：
如果此时，还想运行正好需要8KB内存的APP 2就不行了！因为，虽然从总数上看还有8KB的空余内存，但它们不是连续的，而程序运行，或在malloc或new的时候，往往需要的是连续内存。
如果使用虚拟内存的话，这个问题就很容易解决了：
如你所见：尽管所剩的物理内存还是支离破碎的4KB 4KB内存；但通过页表，我们可以对上、下两个不连续的物理内存，进行重新映射，让它们在虚拟内存空间上是连续的。
由于程序运行时，只能看见虚拟内存，所以程序并不会感知到这两块4KB的物理内存实际上是不连续的。从而避免了因为内存碎片，所造成的内存浪费。
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简化运行条件
这就为程序加载，提供了极大的灵活性。让程序员不必在编程的时候，考虑如何让程序去适配计算机的内存环境。
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隔离进程
第三个好处是：隔离进程。还是这个单进程的a.out程序，我们第一次运行的时候，操作系统为a.out构建了一个虚拟内存空间；如果再运行一次，操作系统就为a.out再构建一个虚拟内存空间：
虽然从虚拟内存上看，两个a.out所在的内存空间是完全一致的！但它们实际上被映射在不同的物理内存上，所以，两个a.out进程是完全隔离的。
即使进程A遇到错误而崩溃，也不会牵连到进程B。同时，进程A想非法探测进程B，或其他进程的内存，也是不可能的。由于有MMU的保护，进程A只能访问MMU已经为其映射好的物理内存。这在一定程度上，提高了系统的安全性。
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内存共享
第四个好处是：有效的利用内存资源。例如：我们的电脑、手机上，会预存很多字体文件。几乎所有的APP都会使用这些字体资源，因为这些资源多为只读类型，所以就没有必要，为每个程序都复制一份资源，而是直接内存共享。
例如，系统在开机时，操作系统由于也需要使用字体文件，所以，会加载一份到内存中。此后，如果其他APP（例如：APP-1、APP-2）也需要使用到字体文件，它们就不需要再把字体文件加载到自己的内存空间里面了。
相反，它可以通过内存映射，直接共享刚才操作系统已经加载好的字体文件：
但如果需要改写共享数据的话，例如：修改一下现有字体，为了避免影响其他程序。就必须自己拷贝一份字体了，这也叫：copy on write。
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SWAP
第五个好处是：以小博大。也就是大家常说的：SWAP，假设这是当前的计算机系统，如你所见，我们的程序已经用尽了全部的物理内存：
简单起见，我们通过设置页表，让虚拟内存页和物理内存页，一一对应。上面是虚拟内存页的编号；下面是对应的物理内存页的编号。此时，如果程序还需要申请一个内存页，应该如何处理呢？
为了让程序继续运行下去，操作系统会通过一定的算法，选择将某一个物理内存页（这里，选择的是1号物理内存页）暂时转移到硬盘上：
同时更新一下对应的页表信息，记录一下内存页所在的硬盘扇区号码H-100，从此，1号虚拟内存页，就对应着H-100硬盘扇区了。这样就临时腾出了一个空闲的内存页，更新一下页表：
从此，5号虚拟内存页，就对应着1号物理内存页了。如此完成内存映射后，就可以返回给程序使用了。
那如果程序需要读取刚才转移到硬盘上的1号虚拟内存页，那该怎么办呢？显然，这时仍然没有空闲的物理内存可供使用，还是老办法，操作系统再选择一个物理内存页（这里选择的是2号物理内存页）将它也暂时转移到硬盘上面，并更新一下页表，从此，2号虚拟内存页，就对应着H-200硬盘扇区了：
这样就又临时腾出了一个空闲的物理内存页。
此时操作系统，就可以根据1号虚拟内存页对应的硬盘扇区号码H-100，把存在硬盘上的内存页读取到刚刚空闲2号物理内存页上：
当然，由于1号虚拟内存页对应的物理内存页改变了位置，所以，对应的物理页号码就从H-100变为了：2号物理内存页。
不得不说，这是一个伟大的功能，但也是最为大家诟病的功能之一。因为，一旦系统内存窘迫到需要SWAP的时候。如你所见，内存和硬盘之间的数据，就会频繁交换，以当时机械硬盘的速度，系统效率立刻被拖慢1000倍！
如此差的体验，还不如不用！直到今天，固态硬盘在效率上取得了巨大进步后，苹果才在最新的iPad系列产品上，打开了SWAP功能。
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总结
2. 虚拟内存一方面简化了应用程序的开发过程，让程序员无需关心与软件功能没有直接关系的信息，例如：目标机的内存环境；它也能充分的利用计算机的内存资源、硬盘资源，还实现了进程间的安全隔离；但另一方面，它也增加了操作系统的开发难度、学习成本和CPU的硬件成本。
3. 不是所有的计算机系统都需要虚拟内存，例如：STM32单片机和嵌入式环境，它们很多是不支持虚拟内存的，甚至Linux也有无虚拟内存的版本：ucLinux。
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热点问题
Q1：我是在校的学生，在学习虚拟内存的时候，感觉非常难以理解，有什么办法解决吗？
需要特别提醒一点的是：虚拟内存技术是操作系统 MMU的软、硬结合体，本章节描述的所有内容，都不能仅靠其中的一方来实现。
Q2：有没有关于实现虚拟内存的软件代码，可以参考、学习的？
A2：Linux内核代码是比较好的学习资料，市场上的相关书籍也比较丰富。但它们往往讲述x86 CPU在虚拟内存上的实现方法，由于历史原因，x86 CPU在操作MMU上面，会有些繁琐，相比之下，ARM CPU在虚拟内存的实现上，会更加直观一点。
Q3：虚拟内存这么强大，为什么系统还会死机？
同时，调试内核、驱动程序，往往也是程序开发的至暗时刻。其调试环境甚至不如单片机的调试环境。普通开发者很难获得价格高昂的调试设备，往往只能依靠原始的打印输出，来进行软件调试。
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参考视频链接
