内存管理
1、操作系统为了解决多个线程可以同时操作内存，引入虚拟内存，也就是每个线程都操作自己的虚拟内存，然后通过MMU转换成物理内存。这样每个程序都可以正常运行。
2、MMU:内存管理单元，操作系统会提供一种机制，将不同进程的虚拟地址和不同内存的物理地址映射起来。

操作系统如何管理虚拟地址和物理地址之间的关系呢？

主要有两种方式，分别是内存分段和内存分页，分段是比较早提出的，我们先来看看内存分段。

内存分段
分段机制下，虚拟地址和物理地址如何映射？
虚拟地址是通过段表与物理地址进行映射的

分段机制下的虚拟地址由两部分组成，段选择因子和段内偏移量。

● 段选择子就保存在段寄存器里面。段选择子里面最重要的是段号，用作段表的索引。段表里面保存的是这个段的基地址、段的界限和特权等级等。

● 虚拟地址中的段内偏移量应该位于 0 和段界限之间，如果段内偏移量是合法的，段基地址加上段内偏移量就是物理内存地址。
分段的办法很好，解决了程序本身不需要关心具体的物理内存地址的问题，但它也有一些不足之处：
● 第一个就是内存碎片的问题。
● 第二个就是内存交换的效率低的问题。
我们来看这样一个例子。我现在手头的这台电脑，有 1GB 的内存。我们先启动一个图形渲染程序，占用了 512MB 的内存，接着启动一个 Chrome 浏览器，占用了 128MB 内存，再启动一个 Python 程序，占用了 256MB 内存。这个时候，我们关掉 Chrome，于是空闲内存还有 1024 - 512 - 256 = 256MB。按理来说，我们有足够的空间再去装载一个 200MB 的程序。但是，这 256MB 的内存空间不是连续的，而是被分成了两段 128MB 的内存。因此，实际情况是，我们的程序没办法加载进来。

当然，这个我们也有办法解决。解决的办法叫内存交换（Memory Swapping）。

我们可以把 Python 程序占用的那 256MB 内存写到硬盘上，然后再从硬盘上读回来到内存里面。不过读回来的时候，我们不再把它加载到原来的位置，而是紧紧跟在那已经被占用了的 512MB 内存后面。这样，我们就有了连续的 256MB 内存空间，就可以去加载一个新的 200MB 的程序。如果你自己安装过 Linux 操作系统，你应该遇到过分配一个 swap 硬盘分区的问题。这块分出来的磁盘空间，其实就是专门给 Linux 操作系统进行内存交换用的。

虚拟内存、分段，再加上内存交换，看起来似乎已经解决了计算机同时装载运行很多个程序的问题。不过，你千万不要大意，这三者的组合仍然会遇到一个性能瓶颈。硬盘的访问速度要比内存慢很多，而每一次内存交换，我们都需要把一大段连续的内存数据写到硬盘上。所以，如果内存交换的时候，交换的是一个很占内存空间的程序，这样整个机器都会显得卡顿。

为了解决内存分段的内存碎片和内存交换效率低的问题，就出现了内存分页。
内存分页
分页是把整个虚拟和物理内存空间切成一段段固定尺寸的大小。这样一个连续并且尺寸固定的内存空间，我们叫页（Page）。在 Linux 下，每一页的大小为 4KB。
虚拟地址与物理地址之间通过页表来映射，如下图：

页表实际上存储在 CPU 的内存管理单元 （MMU） 中，于是 CPU 就可以直接通过 MMU，找出要实际要访问的物理内存地址。
而当进程访问的虚拟地址在页表中查不到时，系统会产生一个缺页异常*，进入系统内核空间分配物理内存、更新进程页表，最后再返回用户空间，恢复进程的运行。*
由于内存空间都是预先划分好的，也就不会像分段会产生间隙非常小的内存，这正是分段会产生内存碎片的原因。而采用了分页，那么释放的内存都是以页为单位释放的**，也就不会产生无法给进程使用的小内存**

如果内存空间不够，操作系统会把其他正在运行的进程中的「最近没被使用」的内存页面给释放掉，也就是暂时写在硬盘上，称为换出（Swap Out）。一旦需要的时候，再加载进来，称为换入（Swap In）。所以，一次性写入磁盘的也只有少数的一个页或者几个页，不会花太多时间，内存交换的效率就相对比较高。
分页机制下，虚拟地址和物理地址是如何映射的？

在分页机制下，虚拟地址分为两部分，页号和页内偏移。页号作为页表的索引，页表包含物理页每页所在物理内存的基地址，这个基地址与页内偏移的组合就形成了物理内存地址，见下图。

总结一下，对于一个内存地址转换，其实就是这样三个步骤：

● 把虚拟内存地址，切分成页号和偏移量；
● 根据页号，从页表里面，查询对应的物理页号；
● 直接拿物理页号，加上前面的偏移量，就得到了物理内存地址。

下面举个例子，虚拟内存中的页通过页表映射为了物理内存中的页，如下图：