地址空间
一、 早期系统与内存使用
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早期系统内存模型：
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操作系统占据物理内存的一部分 (如从地址0开始)。
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运行的单个用户程序占据剩余物理内存 (如从64KB开始)。
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抽象极少： 用户程序直接操作物理地址。
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期望不高： 功能简单，开发者生活“轻松”。
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二、 多道程序与时分共享的演进
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多道程序 (Multiprogramming)：
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动机： 提高昂贵机器的CPU利用率。
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实现： 多个进程准备运行，当一个进程等待I/O时，操作系统切换到另一个进程。
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效率提升： 减少CPU空闲时间。
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时分共享 (Time Sharing)：
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动机： 满足用户对交互性的需求，允许多个用户同时使用机器并获得及时响应。
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早期粗糙实现：
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一个进程独占内存运行一小段时间。
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将其所有状态 (包括全部物理内存) 保存到磁盘。
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加载另一个进程的状态运行。
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问题： 速度太慢，尤其当内存增大时。
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改进实现 ：
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多个进程（A、B、C）同时驻留在物理内存中，每个进程分配一小部分内存。
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操作系统选择一个运行，其余等待。
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新需求： 保护 (Protection)。防止进程间相互干扰内存。
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三、 地址空间 (Address Space)
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定义： 操作系统为运行程序提供的物理内存的抽象。是程序看到的内存视图。
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核心作用： 理解内存虚拟化的关键。
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地址空间的内容：
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代码 (Code)： 程序的指令，通常静态，位于地址空间特定区域 (如顶部)。
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栈 (Stack)：
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保存当前函数调用信息、局部变量、参数、返回值。
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通常从地址空间的一端开始，向特定方向增长 (如从底部向上增长)。
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堆 (Heap)：
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用于动态分配、用户管理的内存 (如 malloc() 或 new)。
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通常位于代码区之后，向与栈相反的方向增长 (如从代码区向下增长)。
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其他： 静态初始化变量等。
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地址空间的特性 ：
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是一个逻辑概念，程序认为自己拥有从0开始的一块连续内存。
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栈和堆通常放置在两端，以便它们可以独立增长。
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这种布局只是一种约定，多线程环境下可能不同。
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四、 关键问题：如何虚拟化内存？
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挑战： 操作系统如何在单一物理内存上，为多个共享内存的进程构建一个私有的、可能很大的地址空间的抽象？
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虚拟化内存 (Virtualizing Memory)：
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程序以为自己加载到特定虚拟地址 (如0)。
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操作系统和硬件配合，将虚拟地址转换为实际的物理地址。
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例如：进程A尝试访问虚拟地址0，实际访问的是物理地址320KB。
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五、 虚拟内存的目标
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透明性 (Transparency)：
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运行程序不应感知到内存被虚拟化。
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程序行为如同拥有私有物理内存。
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操作系统和硬件在幕后完成复用和隔离。
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效率 (Efficiency)：
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虚拟化应尽可能高效 (时间和空间)。
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依赖硬件支持 (如 TLB)。
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保护 (Protection)：
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进程间互相保护，操作系统也受保护。
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进程不能访问其地址空间之外的内存。
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实现进程间的隔离 (Isolation)。
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六、 补充：你看到的所有地址都不是真的
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C程序中打印出的指针地址、函数地址、栈变量地址等都是虚拟地址。
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只有操作系统和硬件知道这些虚拟地址对应的物理地址。