在 Linux 系統(tǒng)中，采用了虛擬內(nèi)存管理技術(shù)，事實(shí)上大多數(shù)現(xiàn)在操作系統(tǒng)都是如此！在 Linux 系統(tǒng)中，每一個(gè)進(jìn)程都在自己獨(dú)立的地址空間中運(yùn)行，在32 位系統(tǒng)中，每個(gè)進(jìn)程的邏輯地址空間均為 4GB，這 4GB 的內(nèi)存空間按照 3:1 的比例進(jìn)行分配，其中用戶進(jìn)程享有 3G 的空間，而內(nèi)核獨(dú)自享有剩下的1G 空間，如下所示：

虛擬地址會(huì)通過(guò)硬件MMU（內(nèi)存管理單元）映射到實(shí)際的物理地址空間中，建立虛擬地址到物理地址的映射關(guān)系后，對(duì)虛擬地址的讀寫操作實(shí)際上就是對(duì)物理地址的讀寫操作，MMU會(huì)將物理地址“翻譯”為對(duì)應(yīng)的物理地址，其關(guān)系如下所示：

Linux 系統(tǒng)下，應(yīng)用程序運(yùn)行在一個(gè)虛擬地址空間中，所以程序中讀寫的內(nèi)存地址對(duì)應(yīng)也是虛擬地址，并不是真正的物理地址，譬如應(yīng)用程序中讀寫0x80800000 這個(gè)地址，實(shí)際上并不對(duì)應(yīng)于硬件的 0x80800000 這個(gè)物理地址。

為什么需要引入虛擬地址呢？

計(jì)算機(jī)物理內(nèi)存的大小是固定的，就是計(jì)算機(jī)的實(shí)際物理內(nèi)存，試想一下，如果操作系統(tǒng)沒(méi)有虛擬地址機(jī)制，所有的應(yīng)用程序訪問(wèn)的內(nèi)存地址就是實(shí)際的物理地址，所以要將所有應(yīng)用程序加載到內(nèi)存中，但是我們實(shí)際的物理內(nèi)存只有G，所以就會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題：

當(dāng)多個(gè)程序需要運(yùn)行時(shí)，必須保證這些程序用到的內(nèi)存總量要小于計(jì)算機(jī)實(shí)際的物理內(nèi)存的大小。

內(nèi)存使用效率低。內(nèi)存空間不足時(shí)，就需要將其它程序暫時(shí)拷貝到硬盤中，然后將新的程序裝入內(nèi)存。然而由于大量的數(shù)據(jù)裝入裝出，內(nèi)存的使用效率就會(huì)非常低。

進(jìn)程地址空間不隔離。由于程序是直接訪問(wèn)物理內(nèi)存的，所以每一個(gè)進(jìn)程都可以修改其它進(jìn)程的內(nèi)存數(shù)據(jù)，甚至修改內(nèi)核地址空間中的數(shù)據(jù)，所以有些惡意程序可以隨意修改別的進(jìn)程，就會(huì)造成一些破壞，系統(tǒng)不安全、不穩(wěn)定。

無(wú)法確定程序的鏈接地址。程序運(yùn)行時(shí)，鏈接地址和運(yùn)行地址必須一致，否則程序無(wú)法運(yùn)行！因?yàn)?a target="_blank">程序代碼加載到內(nèi)存的地址是由系統(tǒng)隨機(jī)分配的，是無(wú)法預(yù)知的，所以程序的運(yùn)行地址在編譯程序時(shí)是無(wú)法確認(rèn)的。

針對(duì)以上的一些問(wèn)題，就引入了虛擬地址機(jī)制。程序訪問(wèn)存儲(chǔ)器所使用的邏輯地址就是虛擬地址，通過(guò)邏輯地址映射到真正的物理內(nèi)存上。所有應(yīng)用程序運(yùn)行在自己的虛擬地址空間中，使得進(jìn)程的虛擬地址空間和物理地址空間隔離開(kāi)來(lái)，這樣做帶來(lái)了很多的優(yōu)點(diǎn)：

進(jìn)程與進(jìn)程、進(jìn)程與內(nèi)核相互隔離。一個(gè)進(jìn)程不能讀取或修改另一個(gè)進(jìn)程或內(nèi)核的內(nèi)存數(shù)據(jù)，這是因?yàn)槊恳粋€(gè)進(jìn)程的虛擬地址空間映射到了不同的物理地址空間。提高了系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性。

在某些應(yīng)用場(chǎng)合下，兩個(gè)或者更多進(jìn)程能夠共享內(nèi)存。因?yàn)槊總€(gè)進(jìn)程都有自己的映射表，可以讓不同進(jìn)程的虛擬地址空間映射到相同的物理地址空間中。通常，共享內(nèi)存可用于實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間通信。

便于實(shí)現(xiàn)內(nèi)存保護(hù)機(jī)制。譬如在多個(gè)進(jìn)程共享內(nèi)存時(shí)，允許每個(gè)進(jìn)程對(duì)內(nèi)存采取不同的保護(hù)措施，例如，一個(gè)進(jìn)程可能以只讀方式訪問(wèn)內(nèi)存，而另一進(jìn)程則能夠以可讀可寫的方式訪問(wèn)。

編譯應(yīng)用程序時(shí)，無(wú)需關(guān)心鏈接地址。前面提到了，當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，要求鏈接地址與運(yùn)行地址一致，在引入了虛擬地址機(jī)制后，便無(wú)需關(guān)心這個(gè)問(wèn)題。