波仔
⚙️ 第五章 内存与磁盘的密切联系
📄 一句话概括

虚拟内存把磁盘当成内存的延伸：程序以为自己有 4 GB，实际只有 1 GB 也行——用到哪一页才读哪一页。

📝 本节和前面几节的关系

5.2 是【少去磁盘】，这一节换方向：内存不够时，反过来借磁盘用。

一、内存不够用怎么办

多开几个程序，内存很快就不够；而买内存是有上限的，程序和系统又越做越大。 两个笨办法都不好：让程序自己省着用——每个程序都得操心，太累；报错退出——那没法用。 操作系统选的是第三条路：让磁盘来凑。 于是有了虚拟内存——程序看到的那个【内存】，其实有一半是磁盘假装出来的。

二、分页与按需加载

做法是把内存切成固定大小的页（常见 4 KB），程序用到哪一页，才把哪一页读进来。 程序里的地址是【虚拟地址】，要由 CPU 和操作系统一起换算成真实的物理地址。 没被用到的页，就压根不用读进来——所以一个 4 GB 的地址空间，很可能只占了几十 MB 物理内存。 这也顺便解释了程序为什么能【声明很大、用得很少】：声明只是划界线，不是真占地方。

三、物理内存不够了：交换

真到了装不下的时候，操作系统会把暂时用不到的页写回磁盘，腾出位置给要用的页。 这就是交换（换页）。等那些页又要用时，再从磁盘读回来。 代价很明显：读回来是毫秒级的，而内存本来是纳秒级的——一次交换就等于卡了一下。 所以交换能用，但不能常用。

四、好处远不止扩容

虚拟内存的初衷是扩容，但今天它更重要的价值在别处： 每个进程有独立的地址空间——各写各的，谁也串不到谁。 内存受保护——访问不属于自己的页会被挡住，程序崩溃不至于拖垮整台机器。 程序不必知道自己实际有多少内存——同样的可执行文件在 8 GB 和 32 GB 的机器上都能跑。 代价是那张换算表和换页开销；如果内存实在太小、换页太频繁，就会出现【抖动】——机器看起来一直在忙，其实全在换页。

五、动手 Demo：将磁盘当成内存使用的虚拟内存

虚拟内存＝把磁盘当成内存的延伸。 程序看到的地址空间可以远大于机器实际装的内存。

space = 4 * 1024 * 1024 * 1024      # 4 GB 地址空间
phys = 1 * 1024 * 1024 * 1024       # 实际只有 1 GB
page = 4 * 1024                     # 一页 4 KB
print("地址空间共 %d 页" % (space // page))
print("物理内存共 %d 帧" % (phys // page))
used = 8 * 1024 * 1024              # 一个只用 8 MB 的程序
print("实际载入 %d 页，占 %.2f%%" % (used // page, used * 100.0 / phys))

实跑输出：

--------------------------------------------------------------------
将磁盘当成内存使用的虚拟内存
--------------------------------------------------------------------

**虚拟内存＝把磁盘当成内存的延伸。**
程序看到的地址空间，可以远大于机器实际装的内存。

  项目                    数值
  ------------------------------------------
  32 位进程的地址空间     4 GB
  机器实际装的内存        1 GB
  一页的大小              4 KB（4096 字节）
  地址空间分成多少页      1048576 页
  物理内存分成多少帧      262144 帧

  一个只用到 8 MB 的程序，真正被读进来的其实只有：

    8 MB ÷ 4 KB = 2048 页
    只占物理内存的 0.78%

  三条要点：
    **程序不必一次全搬进来**——用到哪一页才读哪一页（按需分页）
    **物理内存不够时，把暂时不用的页写回磁盘**（这就是交换）
    **每个进程各有各的地址空间**——谁也别想串门

  **于是【内存不够】这件事被糊住了：程序以为自己有 4 GB，**
  实际上只有 1 GB，剩下的靠磁盘在那儿临时顶着。

地址空间有 104 万页，物理内存只有 26 万帧——差着 4 倍，全靠按需加载糊住。 一个只用 8 MB 的程序只载入 2048 页，占物理内存 0.78%。

30 秒实验

  1. 算一算 4 KB 一页的 1 GB 内存，一共能装多少页。
  2. 想想为什么把页大小定成 4 KB，定成 4 字节或 4 MB 各有什么坏处。

常见误区

  1. 以为虚拟内存就是【拿硬盘当内存用，所以内存随便写】。它慢得多，只是应急。
  2. 以为虚拟内存只是扩容。隔离与保护才是它今天最大的价值。
自测三问（点开对答案） 1. 虚拟内存解决了什么问题？ —— 物理内存不够时，让程序仍能运行；同时给每个进程独立的地址空间。 2. 按需加载是什么意思？ —— 把地址空间分页，程序用到哪一页才把哪一页读进内存。 3. 什么是交换？代价是什么？ —— 把暂时不用的页写回磁盘、用时再读回来；代价是磁盘比内存慢百万倍，频繁交换会让机器变慢。

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