虚拟内存、物理内存
我们知道操作系统中内存可以分为虚拟内存、物理内存和共享内存，以Linux系统为例，使用
free -m 命令查看当前系统内存使用情况：[root@izbp1adsay9ekfu7vgv7zpz ~]# free -m total used free shared buff/cache availableMem: 1839 65 1222 0 550 1616Swap: 0 0 0
上图中的total表示系统总共物理内存大小，used、free分别表示已使用、未使用的物理内存，buff表示写缓存，cache表示读缓存。写缓存就是将将要写的数据写到页缓存而不是直接写到磁盘，这样做的好处是防止进程对页缓存中的数据再次修改。读缓存表示内核在读文件时，首先在已有的页缓存中查找所读取的数据是否已经存在。如果该页缓存不存在，则一个新的页将被添加到告诉缓存中，然后用从磁盘中读取到的数据填充它。如果当前物理内存足够空闲，那么该页将长期保留在高速缓存中，使得其他进程再使用该页中的数据时不再访问磁盘。
而如果想查看每个进程的内存使用情况则可以通过top命令查看：
PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND1005 root 20 0 131004 13944 8580 S 0.3 0.7 10:11.53 AliYunDun 1 root 20 0 43268 3632 2488 S 0.0 0.2 0:04.83 systemd
其中，VIRT、RES、SHR分别表示进程使用的虚拟内存、物理内存和共享内存。我们知道物理内存大小是固定的，比如说某台笔记本物理内存是4g，但是可以运行大于4g的游戏软件，操作系统是如何做到的呢？答案是虚拟内存。虚拟内存就是对主存和I/O设备的抽象，也就是说它将物理内存存放不了的内容，存放到I/O设备上，如下图所示。同时，虚拟内存为每个进程提供了一个一致的地址空间，比如说32位计算机，每个进程的地址范围是[0,4G]（0x00000000 ~ 0xbfffffff分配给用户态，而0xc0000000 ~ 0xffffffff分配给核心态）。此外，虚拟内存保护每个进程的地址空间不被其他进程破坏。
要实现虚拟内存和物理内存，以及它们之间的映射，需要通过物理地址、虚拟地址和分页、分段等机制实现，相关内容在后续给出。
共享内存
共享内存就是两个或更多进程访问同一块物理内存，当一个进程改变了这块地址中的内容的时候，其它进程都获取相应的变更信息。在Linux系统中通过mmap内存共享映射、XSI共享内存和POSIX共享内存三种内存共享方式。为了帮助大家理解，我详细介绍下mmap内存共享这种方式。
从图中可知，每个进程描述符（task_struct）有一个内存管理属性（mm，memory manage）指向mm_struct结构体，而mmap就是该结构体中一个属性，mmap通过指向一个vm_area_struct(区域结构)的链表来控制数据的起始地址，从而实现直接使用内存地址对文件进行访问。
分页、分段、段页结合
在介绍完虚拟内存、物理内存和共享内存大致情况之后，我们来看下虚拟内存和物理内存在操作系统层面是如何实现。首先看下物理地址和逻辑地址。
物理地址和逻辑地址
当未引入逻辑地址之前，如果多个程序同时对同一个物理地址进行操作就会冲突，为了解决这种问题我们才引入逻辑地址。同时，由于程序最后调用的是物理地址，因此逻辑地址和物理地址之间就存在某种映射关系，这种映射通过一个硬件设备MMU（内存管理单元）实现，它包含一个基址寄存器，存储每个程序的开始地址。为了帮助大家理解，举个简单例子，假设程序1的基址寄存器是1000，偏移量是200，那么，它的物理地址就是1200。
分页
通过逻辑地址我们解决了地址冲突问题，但是依然存在一个问题：对于进程来说，它是独占虚拟内存空间的，比如说32位计算机，它的地址范围是[0,4G]，但是大于4G的程序却无法运行。为了解决这个问题，我们想出了将部分数据加载到内存中，而不是一次性加载全部数据，其中数据的最小单位是页（Page），这也是分页技术名字由来，它的理论基础是局部性原理：空间局部性和时间局部性。
分页技术强调每次加载部分数据到内存中，同时，我们将虚拟内存和物理内存按照页进行划分，通过页表是维护虚拟页和物理页的映射关系，需要注意的是每个进程维护一张页表。当页表中的虚拟页对应的物理页是空白时，操作系统会发生缺页中断。
分页具体流程。以CPU执行MOV (0x560) EAX为例，CPU内部会将逻辑地址进行拆分成页号和偏移量，然后将逻辑地址转换成物理地址。
分段
我们知道分页对于用户来说是没什么逻辑意义的，分页是为了完成离散存储，所有的页面大小都一样。为了让用户更好的理解程序，我们又提出了分段概念，它将程序划分为若干段部分，也就是说分段大小是不固定的，而且每一个分段都有独立的功能，例如：代码段，数据段，栈，堆等。通过分段技术，我们把内存空间分成一个个可以自治的段，而且把内存从一维空间变成了一个二维空间。此时虚拟地址有段号和偏移量组成。
段页结合
分段技术的段长可以根据需要动态改变，而且便于用户理解，但是物理内存分配比较麻烦，基于此，我们提出了段页结合，也就是说对于逻辑地址我们采用分段管理，而物理地址我们采用分页机制。它的流程大致如下：首先根据段表信息，将逻辑地址转换成另一个逻辑地址，在转换的过程中会判断偏移量是否超过指定长度，如果没有超过，则根据页表将逻辑地址转换成物理地址。
页面置换算法
当访问的页不在内存中时就会发生缺页中断，此时就需要进行页面置换。目前常见的置换算法有FIFO、LRU和Clock算法。
FIFO（先进先出）
先进先出算法思想很简单，当内存满了，优先置换出最先进入内存的页面。但是它存在一个问题：经常被访问的数据有可能被换入换出，下面我就举个简单的栗子。假设只有3个物理页面，逻辑页面的访问次序是：
7 0 1 2 0 3 0 4。
LRU（最近最少使用）
LRU算法就是所有页用栈组成，当栈满了，且新增加元素没有命中，则将栈底元素淘汰，新增元素放到栈顶；当栈满了，且新增元素命中，则只需要将新增元素移动到栈顶位置即可。假设只有3个物理页面，逻辑页面的访问次序是： 7 0 1 2 0 3 0 4 。
Clock算法
Clock算法是LRU算法的近似实现，它为每个页加一个引用位，默认值为0，无论读还是写，都置为1，它把所有的页组成一个循环队列，选择淘汰页的时候，扫描引用位，如果是1则改成0（相当于再给该页面一次存活的机会），并扫描下一个；如果该引用位是0，则淘汰该页，换入新的页面。假设只有3个物理页面，逻辑页面的访问次序是：
3 4 2 6。
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