理解虚拟地址和虚拟地址空间

Question

我读到这样一段话："当程序执行像：MOV REG,1000这样的指令时，它是将内存地址1000的内容复制到REG中。地址可以使用索引、基地址寄存器、段寄存器和其他方式来生成。

这些程序生成的地址被称为虚拟地址，并形成了虚拟地址空间。"

请问有人能解释一下，（这些程序生成的地址被称为虚拟地址）是什么意思吗？

- program-o-steve

Answer 1

程序和数据以数字形式存储在内存单元中。每个内存单元都有一个唯一的数字，称为其地址。表示有效地址的数字范围称为地址空间。

当程序运行时，CPU从内存中读取数据并将结果写回内存。CPU通过指定读取或写入操作所针对的内存单元的地址来与内存通信。

CPU可以以多种方式生成地址（记住，地址只是一个数字）。表示地址的数字可以在寄存器中，也可以存储在另一个内存位置，可以通过将偏移量加减到寄存器中来计算等等。在所有情况下，编译后的程序指示CPU如何生成所需读取或写入的地址。

现代体系结构允许多个程序执行，就好像它们拥有整个逻辑地址空间一样。换句话说，几个程序可以在相同的地址处写入内存位置，而不会覆盖彼此的结果。这是通过虚拟化地址空间实现的：假设A和B程序生成了一个写入0x1000内存位置的操作。 CPU在操作系统的帮助下，可以对地址进行其他调整，并将其映射到程序A的物理地址0x60001000和程序B的物理地址0x5F001000。两个程序都认为自己写入了0x1000位置，因为它们在虚拟地址空间中操作。它们的内存模型是一个连续块，从0开始，一直延续到0x000100000000（假设您的系统为进程提供了4GiB的可用内存）。但是，这种模型之所以有效，是因为CPU还会将它们的逻辑地址转换为物理地址，在运行程序的过程中根据需要分配和回收。

由于表示地址的相同数字对于程序和CPU来说具有不同的含义，程序的地址空间称为虚拟地址空间，而CPU的地址空间称为物理地址空间。

- Sergey Kalinichenko

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当然是虚拟的：对于程序而言，它只是0x1000。在我的例子中，虚拟0x1000单元的物理（硬件）地址为程序A的0x60001000，而程序B为0x5F001000。你的程序认为它正在写入0x1000，但硬件实际上写入了一个完全不同的地址。 - Sergey Kalinichenko

@dasblinkenlight 抱歉有点晚了。我理解你的意思，但是使用虚拟地址空间的实用性是什么呢？为什么程序A不能直接说“写入0x60001000”，程序B不能直接说“写入0x5F001000”呢？ - HelloWorld123456789

@RikayanBandyopadhyay 因为0x60001000和0x5F001000地址是由操作系统在加载可执行文件时确定的，而不是可以编译到程序中的内容。 - Sergey Kalinichenko

但是这些地址难道不是可重定位的，并且在执行之前由加载器进行了调整吗？ - HelloWorld123456789

在没有虚拟内存支持的系统上，是的。此外，并非所有地址都可以由加载程序进行校正 - 例如，在动态计算地址的情况下，加载程序可能无法看到数据操作以识别结果将用作地址的事实。 - Sergey Kalinichenko

Answer 2

当程序访问内存时，它并不知道也不关心支持地址的物理内存存储在哪里。它知道操作系统和硬件需要共同工作来映射定位正确的物理地址，从而提供对所需数据的访问。因此，我们称程序用于访问内存的地址为虚拟地址。虚拟地址由两部分组成：页和该页中的偏移量。

- Sunny