波仔
🐧 第五章 内存管理
📄 一句话概括

程序看到的是连续地址，背后是散落的物理页。翻译时低 12 位不动，只换页号那一段——这就是映射的全部含义。

📝 本节和前面几节的关系

5.3 说明了【为什么必须绕过去】，这一节讲绕过去之后长什么样。下一节（5.5）讲那张翻译表本身。

一、一句话说清

每个进程都以为自己独占一整片连续的内存，从 0 号地址一直排上去。 实际上它的每一页被放在物理内存的任意位置，中间还隔着别人的页。 把【我以为的地址】翻译成【真实的地址】的那张表，叫页表。 所以虚拟内存不是【一块内存】，是【一层翻译】。

二、一个地址怎么变成物理地址

第一步：把地址切成两段。低 12 位是页内偏移（因为页是 4 KB，2 的 12 次方正好 4096），高位是页号。 第二步：拿页号去查页表，得到物理页号。 第三步：物理页号乘 4 KB，加上原来的偏移，就是物理地址。 关键在第三步：偏移一位都没变。变的只有页号——所以同一页内的相对位置永远不变。 这就是为什么程序不用关心自己被打散成什么样：它在页内怎么排，搬过去还是怎么排。

三、顺手解决的三件事

隔离：每个进程一张自己的页表，它翻不到别人的页。 共享：两张页表里都填同一个物理页号，两个进程就共享了同一页物理内存（5.11 的共享内存就是这么做的）。 保护：页表项里带权限位，只读页上写一个字节，CPU 直接抛异常——这是硬件拦的，绕不过去。 这三件事都不是【软件约定】，是【翻译本身的副产品】。

四、代价是什么

每一次访存都要先翻译一次——这是虚拟内存唯一的代价。 如果每次都去内存里查表，速度会跌一半以上（一次访存变两次）。 所以 CPU 里有一个专门的缓存叫 TLB，记住最近翻译过的页号（6.7 详述）。命中就不查表。 这就是【用一点点缓存，换掉绝大部分翻译开销】的经典设计。

五、动手 Demo：虚拟内存——连续的地址，散落的页

这一节手工搭一张四个页的页表，让四个连续的虚拟页落到四个不相邻的物理页上，然后亲手算一次地址翻译。

PAGE = 4096
mapping = [7, 2, 5, 1]      # 虚拟页 -> 物理页

addr = 0x00002A17
vpn = addr // PAGE
off = addr % PAGE
phys = mapping[vpn] * PAGE + off

print("虚拟地址", hex(addr))
print("页号", vpn, "偏移", off)
print("物理页", mapping[vpn])
print("物理地址", hex(phys))

实跑输出：

--------------------------------------------------------------------
虚拟内存——连续的地址，散落的页
--------------------------------------------------------------------
① 四个连续的虚拟页，落到四个不相邻的物理页

  虚拟页     虚拟地址范围              →     物理页     物理地址范围
  ----------------------------------------------------------------------------
  #0         0x00000000-0x00000FFF     →     #7         0x00007000-0x00007FFF
  #1         0x00001000-0x00001FFF     →     #2         0x00002000-0x00002FFF
  #2         0x00002000-0x00002FFF     →     #5         0x00005000-0x00005FFF
  #3         0x00003000-0x00003FFF     →     #1         0x00001000-0x00001FFF

  **左边一列是连着的，右边一列是散的。**
  **程序只看见左边**，所以它永远不用关心【我到底被放在哪块内存条上】。

② 一个地址怎么变成物理地址

  步骤                 算式                  结果
  ------------------------------------------------------
  给一个虚拟地址       —                     0x00002A17
  除以页大小取页号     10775 ÷ 4096          页号 2
  查页表               页号 2 → 物理页 5     物理页 #5
  余数当页内偏移       10775 mod 4096        偏移 2583
  拼出物理地址         5 × 4096 + 2583       0x00005A17

  **注意最后一行：虚拟地址和物理地址的低 12 位是一样的。**
  **变的只有页号那一段——这就是【映射】的全部含义。**

③ 顺带解决的三件事

  想要                     怎么做到
  --------------------------------------------------------
  进程之间互不可见         各自的页表，看不见对方的物理页
  两个进程共享一份代码     两个页表里都填同一个物理页号
  只读的代码真的改不了     页表项里带权限位，写就报错

注意结果：0x00002A17 变成了 0x00005A17。 低 12 位全是 0xA17，一点没变。变得只有高位那个 2 变成了 5。 这不是巧合，是设计：偏移不动，所以页内布局天然保留。 再看第一张表：左边虚拟页 0、1、2、3 连号，右边物理页 7、2、5、1 乱序——程序永远只看见左边那一列。

📋 Linux 上验证翻译对不对：pmap -x <pid> 会列出每一段的虚拟地址与对应的物理地址（需要权限），你会看到它们根本不连续。

30 秒实验

  1. pmap -x $$，看 shell 自己的地址空间分了几段。
  2. 把一个地址右移 12 位再左移 12 位，验证低 12 位被清零（这就是页对齐）。
  3. cat /proc/self/maps | head，看最前面几段的起始地址是不是 4 KB 对齐的。

常见误区

  1. 【虚拟内存就是把硬盘当内存用】。那是 Swap。虚拟内存是一层地址翻译，跟硬盘没关系。
  2. 【虚拟地址就是物理地址】。只在没有开 MMU 的单片机上成立。
  3. 【虚拟内存让程序变慢】。有 TLB 挡着，绝大多数访问和物理寻址一样快。
自测三问（点开对答案） 1. 地址翻译时哪一部分不变？为什么？ —— **低 12 位（页内偏移）不变**，因为页大小 4 KB 固定，**同一页内的相对位置搬过去还是一样。** 2. 虚拟内存顺手解决了哪三件事？ —— **隔离、共享、保护**。三者都是**翻译表可以各写各的**带来的副产品。 3. 虚拟内存唯一的代价是什么？靠什么补？ —— **每次访存都要翻译一次**。靠 **TLB**——**CPU 里缓存最近翻译的页号，命中就不查表。**

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