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對(duì)于一臺(tái)x86（32bit）的操作系統(tǒng)來說，假設(shè)它有2G的物理內(nèi)存，物理內(nèi)存分成以許多個(gè)4k為單位大小的頁框，這些頁框就是存儲(chǔ)進(jìn)程的最小單位：

為了解決系統(tǒng)運(yùn)行過程中不同進(jìn)程之間內(nèi)存的合理分配和利用，防止不同進(jìn)程同一時(shí)刻在物理內(nèi)存中運(yùn)行而對(duì)物理內(nèi)存的爭(zhēng)奪和踐踏（一旦某一進(jìn)程失去控制，占用的資源不停增大，就會(huì)將物理內(nèi)存占滿，并導(dǎo)致其他進(jìn)程中斷，甚至導(dǎo)致服務(wù)器崩潰，這是及其危險(xiǎn)的），我們采用了虛擬內(nèi)存。

我們都知道，進(jìn)程是用戶發(fā)起的運(yùn)行在內(nèi)核之上的用戶空間的程序，如下所示：

虛擬內(nèi)存存在的意義就在于使不同進(jìn)程在運(yùn)行過程中，它所看到的是自己獨(dú)自占有了當(dāng)前系統(tǒng)的4G內(nèi)存，當(dāng)然這是一個(gè)假象。在這種假象之下，內(nèi)核悄悄的將當(dāng)前進(jìn)程所占用的內(nèi)存轉(zhuǎn)化為了物理內(nèi)存。虛擬內(nèi)存的結(jié)構(gòu)如下：

如下，進(jìn)程1和進(jìn)程2是兩個(gè)不同的進(jìn)程，他們所看到的是，當(dāng)前系統(tǒng)只有自己運(yùn)行在內(nèi)核之上，不同進(jìn)程之間是彼此不可見的，所以他們誤以為系統(tǒng)將當(dāng)前的3G內(nèi)存（其余1G留給內(nèi)核使用）都分配給了自己的進(jìn)程。實(shí)際上，進(jìn)程1和進(jìn)程2分別只占用了藍(lán)色部分所顯示的空間資源，即實(shí)際利用資源。

 

虛擬內(nèi)存只是進(jìn)程所看到的一個(gè)假象，實(shí)際進(jìn)程運(yùn)行過程中，進(jìn)程還是通過物理內(nèi)存上被CPU調(diào)用和執(zhí)行的；線程是進(jìn)程運(yùn)行的最小單位，也是CPU運(yùn)行和調(diào)用的最小單位。每一個(gè)進(jìn)程可以包含多個(gè)線程，線程作為CPU調(diào)用的最小單位被映射到物理內(nèi)存中，如下所示：

線程映射到物理內(nèi)存后，物理內(nèi)存會(huì)分配指定的頁框給該線程，線程與頁框之間的映射是隨機(jī)的，非線性的。

 

隨著進(jìn)程的增加，線程的數(shù)量也會(huì)增加，物理內(nèi)存的空間有限，頁框?qū)⒁帽M，物理內(nèi)存空間幾乎會(huì)被占滿，接近與上限，這時(shí)如果繼續(xù)運(yùn)行下去，內(nèi)存崩潰，服務(wù)器死機(jī)，將會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)知的結(jié)果，那么該怎么解決這一問題呢？

 于是，內(nèi)核決定在硬盤上找一段存取速率較高的存儲(chǔ)空間，模擬物理內(nèi)存，并將其內(nèi)部劃分為類似頁框的存儲(chǔ)小格子。當(dāng)物理內(nèi)存接近崩潰時(shí)，將物理內(nèi)存中最近一段時(shí)間最少頻率使用到的頁框移出物理內(nèi)存，放進(jìn)該存儲(chǔ)空間，這段存儲(chǔ)空間我們稱之為交換空間（Swap）。當(dāng)新創(chuàng)建的進(jìn)程3進(jìn)入內(nèi)存時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前物理內(nèi)存已經(jīng)被占滿，此時(shí)內(nèi)核便需要交換空間來協(xié)調(diào)，如下：

圖中紅色方塊代表的線程為最近一段時(shí)間使用最不頻繁的線程，

藍(lán)色方塊代表新創(chuàng)建的進(jìn)程3包含的線程，黃色方塊代表磁盤上的swap分區(qū)

a)        內(nèi)核首先將紅色線程移到swap分區(qū)，并取消進(jìn)程1中該線程與物理內(nèi)存的映射；

b)       隨即，將藍(lán)色線程移進(jìn)物理內(nèi)存中紅色進(jìn)程剛騰出的空間。此時(shí)，進(jìn)程3就獲得了系統(tǒng)內(nèi)存資源，等待被CPU調(diào)用執(zhí)行；

灰色進(jìn)程代表當(dāng)前內(nèi)存中最近一段時(shí)間內(nèi)使用最不頻繁的線程

c)        當(dāng)紅色線程再次被喚醒時(shí)，內(nèi)核會(huì)將灰色線程移到swap分區(qū)，取消該線程的映射；

d)       隨即，內(nèi)核將紅色線程移進(jìn)內(nèi)存中灰色線程剛騰出的空間，并建立新的映射關(guān)系，獲取系統(tǒng)內(nèi)存資源。

 

swap分區(qū)存在的意義在于：允許內(nèi)存過載（overcommit）使用

盡管swap分區(qū)可以為進(jìn)程運(yùn)行提供額外的交換空間，解決物理內(nèi)存飽滿情況下協(xié)調(diào)系統(tǒng)進(jìn)程正常運(yùn)行的問題，但是使用交換空間所帶來的頁框進(jìn)出會(huì)大大降低系統(tǒng)的性能，所以應(yīng)謹(jǐn)慎使用交換空間。

交換空間和物理內(nèi)存之間頁框的移動(dòng)可以這樣描述：