虚拟存储

Posted Dec 4, 2025

By 何翌闻

3 min read

虚拟存储

为什么电脑开这么多程序还能跑起来？
为什么同一个程序、同一个地址可以启动很多份？

虚拟存储

电脑的内存就是连续编址的“大数组”

那，在同一块地址，一个进程要写A，一个要写B，为什么两个进程“打架”的事情没有发生？

  
#include <unistd.h>   // fork, getpid, sleep
#include <sys/mman.h> // mmap
#include <assert.h>   // assert
#include <stdio.h>    // printf

int main()
{
    for (int i = 0; i < 3; i++)
    {
        fork(); // create some processes
    }

    volatile int *ptr = mmap(
        (void *)0x20000000,          // mapping address (hint)
        1 << 20,                     // mapping size (1 MiB)
        PROT_WRITE | PROT_READ,      // read/write mapping
        MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, // mapping flags
        -1,                          // file descriptor
        0                            // offset
    );
    assert((intptr_t)ptr != -1);

    *ptr = getpid();
    printf("#%d sets %p = %d\n", getpid(), ptr, getpid());

    sleep(1);
    printf("#%d *%p = %d\n", getpid(), ptr, *ptr);
}

fork()：已经有一个进程，再去copy完全一模一样的内存

硬件实现

“我们要建立2²⁰到2²⁰的映射。“

radix tree 基数树

根据特定位比特的0/1情况，去定位某个特定的数的位置

存储器体系结构

第一层：寄存器

很多 ISA（比如 x86-64、RISC-V、ARM）寄存器数量远小于 256 个，但仍然用 8 bit（甚至更多） 来编码寄存器号。为什么不只用需要的位数？例如 16 个寄存器只需要 4 bit。

我们执行的指令（如 mov $1, %rax）实际上 不会直接写物理寄存器 RAX，而是会先被 重命名（Register Renaming） → 分配一个 物理寄存器（PRF: Physical Register File）地址 → 用于乱序执行、投机执行、异常恢复等。

如果只有 16 个寄存器，指令之间会“互相抢寄存器”，产生很多假依赖，例如：

mov $1, %rax
add %rbx, %rax
mov $2, %rax

后两条写了同一个 %rax，即使它们逻辑上互不相关，也会被阻塞。

架构寄存器只是一个逻辑名字，真正的值都存放在大量物理寄存器中。

第1.5层：MMU

第二层：缓存

  
volatile int *p = ……;
for (int i = 1; i < 1000; i++)
*p = 1;

A volatile specifier is a hint to a compiler that an object may change its value in ways not specified by the language so that aggressive optimizations must be avoided