每个进程会都是自己独占主存的吗？ - 《操作系统原理》

虚拟内存（Virtual Memory）是操作系统通过硬件（通常是内存管理单元 MMU）与软件结合实现的一种技术，它使得每个进程感觉自己是在独占使用主存（物理内存），即使实际物理内存是多个进程共享的。虚拟内存通过以下几种机制实现这一点：

每个进程在运行时使用的地址都是虚拟地址，而不是物理内存地址。操作系统为每个进程分配一个独立的虚拟地址空间，使进程只感知自己的虚拟地址，而看不到系统中其他进程的内存区域。

虚拟地址通过硬件的内存管理单元（MMU）被动态地映射到物理内存地址。每当进程需要访问数据时，MMU 会根据操作系统提供的页表（Page Table）将虚拟地址转换为实际的物理地址。因此，尽管多个进程共享物理内存，但它们各自操作的都是自己独立的虚拟地址空间，从而给每个进程一种独占内存的错觉。

页表是操作系统和硬件之间实现虚拟内存的核心机制。每个进程都有一个专属的页表，页表中记录了虚拟地址和物理地址之间的映射关系。当进程需要访问某个虚拟地址时，MMU 查找该进程的页表，找到对应的物理页。页表的管理和切换由操作系统负责。

页表的分层结构（如多级页表）进一步提高了内存地址管理的效率和灵活性，允许操作系统对较大的虚拟地址空间进行有效管理。

每个进程的虚拟地址空间是相互隔离的，这样即使多个进程运行在同一个物理内存中，它们也不会互相干扰。例如，进程 A 的虚拟地址 0x1000 和进程 B 的虚拟地址 0x1000 可以映射到完全不同的物理地址。因此，进程 A 和进程 B 虽然使用相同的虚拟地址，但在物理内存中的数据是完全独立的。

操作系统通过硬件保护机制确保这种隔离性，任何进程试图访问未授权的物理地址都会引发内存访问违规，导致程序崩溃或产生页面错误（segmentation fault）。

虚拟内存并不要求每个虚拟页面都必须在物理内存中。通过按需调页机制，操作系统可以将不常用的数据暂时存放在硬盘上的交换空间（Swap Space），而仅将常用的数据加载到物理内存中。这样即使物理内存有限，操作系统也可以为每个进程提供一个比实际物理内存大得多的虚拟地址空间。

当进程访问某个虚拟页面时，如果该页面不在物理内存中，会触发缺页中断（Page Fault）。此时，操作系统将从硬盘交换空间中读取该页面并加载到物理内存中，然后更新页表以反映新的映射关系。

在某些情况下，多个进程可以共享相同的物理内存页面。例如，当一个进程创建子进程时，父子进程可以共享相同的内存区域。在这种情况下，虚拟内存仍然给每个进程提供独立的虚拟地址空间，但背后可能有共享的物理页。

通过写时复制（Copy-on-Write，CoW）技术，当进程尝试修改一个共享页面时，操作系统会为该进程创建一个该页面的独立副本，这样只有修改后的数据会对该进程可见，而原始数据仍由其他进程共享。这进一步增强了内存管理的效率。

典型的操作系统会为每个进程提供一个相似的虚拟地址空间布局。这些布局通常分为用户态和内核态两部分：

这种统一的地址空间布局进一步强化了每个进程独占内存的“错觉”，因为进程彼此不能轻易干扰。

为了提高虚拟内存的性能，现代处理器引入了TLB（翻译后备缓冲区），这是一个用于加速虚拟地址到物理地址转换的小型高速缓存。当进程访问内存时，TLB 会缓存最近使用的虚拟地址到物理地址的映射，减少页表查询的开销。

由于 TLB 只缓存有限的映射关系，因此在频繁的上下文切换时可能会产生TLB 缺失（TLB Miss），导致需要重新加载页表信息，增加了额外的性能开销。不过在多数情况下，TLB 映射能够极大地提高虚拟内存访问的速度。

虚拟内存通过以下几个机制让每个进程感觉自己独占使用物理内存：

通过这些机制，操作系统成功地向每个进程提供了一个独立的、看似独占的内存使用环境，尽管底层的物理内存是被多个进程共享的。