虚拟内存是什么？分页和缺页中断是怎么回事？

详细解析#

为什么需要虚拟内存#

• 隔离：每个进程有自己的页表，访问不到别人的物理内存，一个进程写坏内存不会影响其他进程
• 连续的地址空间：物理内存是零散分配的，但进程看到的堆、栈都是连续的地址，编译和链接也简单
• 按需加载：程序启动时不用把整个可执行文件读进内存，访问到哪页再加载哪页
• 共享与写时复制：多个进程的虚拟页可以映射到同一个物理页，比如共享库的代码段只占一份物理内存

地址转换：页表、MMU、TLB#

虚拟地址 = 虚拟页号 + 页内偏移
         │
         ├─> TLB 命中 ───────────────> 物理页号 + 页内偏移 = 物理地址
         │
         └─> TLB 未命中 ─> MMU 逐级查页表（x86-64 常见 4 级，部分新 CPU 支持 5 级）
                              ├─ 页表项有效 ─> 得到物理页号，写入 TLB
                              └─ 页表项无效 ─> 触发缺页异常，交给内核处理

页表是多级的：如果用一张平铺的大表映射整个 64 位地址空间，表本身就大得放不下。多级页表只为实际用到的区域分配下级页表。代价是每次转换要多次访存，所以有了 TLB 这个专用缓存。进程切换时页表换了，TLB 里的旧映射大多失效（带进程标识的 TLB，如 x86 的 PCID，可以减少刷新），这是进程切换比线程切换贵的原因之一。

缺页异常的处理#

1. CPU 访问虚拟地址，页表项标记为"不在内存"，触发缺页异常，从用户态陷入内核
2. 内核查找这个地址属于进程的哪个虚拟内存区域（VMA）。不属于任何区域或权限不符，就给进程发 SIGSEGV，也就是常见的段错误
3. 地址合法，根据类型处理：
   • 匿名内存（堆、栈）第一次访问：分配一个清零的物理页
   • 文件映射（代码段、mmap 的文件）：页面在 page cache 里就直接映射，不在就从磁盘读
   • 页面被换出到 swap：从 swap 读回来
   • 写一个写时复制的只读共享页：复制一份再改为可写
4. 更新页表，返回用户态，重新执行触发异常的那条指令

需要读磁盘的叫主缺页（major fault），耗时长；不需要读磁盘的叫次缺页（minor fault），开销小得多。malloc 一大块内存后，top 里 RES 不会马上涨，就是因为物理页在第一次写入时才分配。

页面置换、swap 和 OOM#

物理内存不够时，内核要挑一些页腾出来：干净的文件页直接丢弃，下次再从文件读；脏页先写回文件；匿名页写到 swap。挑哪些页由置换算法决定：

Linux 用 active 和 inactive 两组链表近似 LRU，页面被再次访问才提升到 active 链表；较新的内核还提供了多代 LRU（MGLRU），是否启用取决于内核配置和发行版。

swap 用得多时，进程频繁地换出换入，出现大量主缺页，系统会明显变慢（抖动）。内存和 swap 都耗尽时，内核启动 OOM Killer，按 oom_score 挑一个进程杀掉，可以通过 /proc/<pid>/oom_score_adj 调整某个进程被选中的倾向。容器里超过 cgroup 的内存上限也会触发 OOM，见 requests 和 limits。

fork 和写时复制#

fork 时内核不复制物理内存，只复制页表，把父子双方的页都标成只读。任何一方写某页时触发缺页异常，内核才复制这一页。Redis 的 RDB 快照就利用了这一点，见 RDB 和 AOF。

代码示例#

观察进程的内存和缺页情况：

# VSZ 是虚拟内存大小，RSS 是实际占用的物理内存；min_flt、maj_flt 是累计的次缺页、主缺页次数
ps -o pid,vsz,rss,min_flt,maj_flt,cmd -p 1234

# 进程的虚拟内存区域：代码段、堆、栈、共享库、mmap 区域
cat /proc/1234/maps

# 系统层面：si、so 列是每秒换入、换出 swap 的量，持续不为 0 说明内存紧张
vmstat 1

面试官可能追问#

易错点#

• 缺页异常是正常机制，不是错误。只有访问非法地址时才会变成段错误
• "虚拟内存 = swap"是误解：虚拟内存是地址转换和隔离的机制，swap 只是把匿名页换到磁盘的一种手段，没有 swap 同样有虚拟内存
• TLB 缓存的是页表项（虚拟页到物理页的映射），不是数据本身；数据缓存是 CPU 的 L1/L2/L3