内存分配技术 | 将虚拟地址映射到物理地址

在计算机系统中，程序员需要进行内存管理来确保程序可以正常运行。一种重要的技术是将虚拟地址映射到物理地址。这种技术使得程序可以使用虚拟地址来访问内存，而不需要了解物理地址的具体位置。

虚拟地址和物理地址

虚拟地址是由CPU生成的地址，它在编程时被使用，但是在实际存储器中并不存在。物理地址是真实的存储单元的地址。当应用程序访问虚拟地址时，操作系统会将其映射到相应的物理地址。这样，应用程序就可以访问真正的数据了。

内存分配技术

操作系统会对内存进行分配，为系统中运行的不同应用程序分配不同的内存空间。常见的内存分配技术有以下几种:

固定分区分配

固定分区分配技术是在启动时将内存分为若干个固定大小的区域，每个应用程序被分配一个固定的区域。这种技术简单，但效率较低。

动态分区分配

动态分区分配技术是在运行时根据需要分配内存空间。当一个应用程序需要内存时，操作系统会搜索内存空间，找到合适大小的空间，并将其分配给应用程序。这种技术更加高效，但需要更复杂的管理机制。

虚拟内存

虚拟内存技术是一种将系统中的磁盘空间作为内存使用的技术。当物理内存不足时，系统将一部分较少使用的内存数据放入磁盘中，同时将数据所在的虚拟地址映射到磁盘中的物理地址。当程序需要访问这些数据时，操作系统会将其从磁盘中载入内存，并将其映射到虚拟地址。

虚拟内存技术能够扩展物理内存，提高系统的稳定性和性能。但是也会带来一些问题，如硬盘慢以及访问磁盘时的延迟等。

将虚拟地址映射到物理地址

虚拟地址和物理地址的映射是由硬件和操作系统共同完成的。硬件负责将虚拟地址转化为物理地址。

操作系统内核有一个数据结构，称作页表，它是一个虚拟地址到物理地址的映射表。操作系统内核负责填充页表，使得当程序访问一个虚拟地址时，硬件根据页表中的映射信息，将虚拟地址转化为物理地址，实现访问内存。

/// 伪代码，演示虚拟地址到物理地址的映射
uint64_t virtual_address = 0x12345678;  // 虚拟地址
PageTableEntry *page_table = kernel->process->page_table;  // 该进程的页表
uint64_t page_table_index = virtual_address >> 12;  // 获取在页表中的索引
PageTableEntry entry = page_table[page_table_index];  // 获取对应的页表项
uint64_t physical_address = entry.physical_address | (virtual_address & 0xfff);  // 计算物理地址 

对于不同操作系统，页表的实现会有所不同。例如，在Linux操作系统中，有两级页表，每个页表项的大小为4B，其中前20bit为物理地址，后12bit用于标识该页的状态(如有效，写保护等)。

总结

将虚拟地址映射到物理地址是操作系统中重要的内存分配技术之一，它能够提高程序的稳定性和性能。操作系统内核负责构建和填充一个称为页表的数据结构，硬件负责根据页表中的映射信息将虚拟地址转化为物理地址。不同的操作系统采用的页表实现也可能有所不同。