从编程的角度看，虚拟内存可能是内存管理中最抽象、最重要的概念，但国内的教科书在内存管理相关章节，普遍对虚拟内存的知识一笔带过，相关的内容仅仅涉及到逻辑地址到物理地址的转换(事实上这部分属于 MMU)，以及本地磁盘与内存的对换区(swap)，该区域，在空闲内存达到门限值(threshold)时，用来与内存进行页面置换，但在 iOS 系统上没有该区域。
由于虚拟内存的内容非常庞杂，文章将分为两部分，该篇是第一部分，内容侧重从操作系统内存管理的底层开始，建立基本的内存管理以及运作的相关概念。第二部分，将结合苹果
XNU内核，cctools, dyld的源码和Mach-O二进制文件进行分析，看清楚整个虚拟内存的创建过程。问题
1: CPU 与存储系统的结构 ？
2: MMU 是什么，以及它是如何工作的 ?
3: 到底什么是虚拟内存，它是否真的存在于内存中 ?
4: 为什么 CPU 给出的访存地址总是虚拟地址 ？
5: 内存请求分页的过程和原理 ？
带着上述问题，我们进入计算机和操作系统的内部。
CPU 与存储器体系结构
从编程角度，以及宏观上，计算机可以被看做是一个多级缓存系统。主要组成有 CPU、寄存器、和各级缓存。各级缓存是个抽象概念，不是具体概念，可能各种书籍中也没有这个概念，但我觉得用这个词有助于理解整个存储系统。
各级缓存具体包括高速Cache层(硬件结构SRAM，可以有多级缓存)、主存(Memory，俗称的内存，也叫 RAM，硬件结构DRAM)、磁盘(disk)。运行速度依次递减：寄存器 -> Cache -> RAM -> Disk，与此同时造价也依次递减。但容量依次递增。当然，远程服务器的云盘，也可以看做是存储器体系结构的一部分，不过本篇不讨论。
CPU 只和寄存器直接通信
CPU 从不直接和除了寄存器以外的存储设备打交道，因为CPU嫌弃它们太慢。现代计算机CPU是个很泛的概念，本篇所说的CPU主要指由 ALU CU 组成的计算和控制单元。不同的体系架构(CISC、RISC)，寄存器个数不同，不过怎么着也有近百个，后续会慢慢介绍各种寄存器。CPU也不会直接访问Cache和主存，这个工作交给
MMU(Memory Manager Unit)来做。CPU更不会直接访问Disk，这个工作交给DMA或者I/O设备专用管道来做。一些基本概念
下面从计算机硬件底层到上层，解释一些基本概念。
1、时钟周期、机器周期、指令周期
这部分不太影响对虚拟内存的理解，就放一张图。
2、中断
当我们每次滚动一下页面，操作系统都会提交一个外部中断给CPU，CPU会扔下手头的事情，立即做出响应，不然用户就会觉得电脑卡顿。处理完成后，CPU继续做原来的事情。中断和CPU时间片调度的方式，共同造就优秀的交互式计算机。中断是有内核程序处理的，用户级程序无法处理，只能提交给内核去做。中断有很多种，后文会提到缺页中断(page fault)，也是一种中断。还有多线程底层的
同步原语也是通过关中断和开中断，以及一些硬件结合来完成的。3、字长与地址空间
平常所说的32位、64位操作系统，指的就是CPU的字长为32位或者64位。单位是bit，具体指CPU能够单次并行读取的bit数。CPU旁边还有一个数据寄存器(MDR)和地址寄存器(MAR)，CPU每次要访存，都把地址交给
MAR，数据则写入MDR。为了加快处理速度，一般让CPU字长和MAR与MDR的位数保持一致。由此，
MAR地址寄存器的长度(或者字长)就决定了CPU能够访存的地址空间，例如32位系统，地址空间就是2^32个地址单元，如果按字节(Byte)编址，那么最大的访存范围就是2^32个B，就是4GB，那么这个4GB就是地址空间，但这是理论上的，即虚拟地址空间，表示每个程序都可以映射4GB个虚拟内存空间，实际的真实大小受限于主存的大小。如果是64机器，按字节编址，地址空间就是2^64个B，这个数是2^32个4B，大的很。当然也可以按2B(半字)、4B(32位=字)编址，访存空间会更大。但一般来讲，计算机都是按照字节编址。虚拟内存与请求分页
通常我们的机器的物理内存都是有限，例如 16GB、32GB 等。但可以运行的进程是无限多的，如果每开启一个进程，都要独占一部分物理内存，那么只要不停的打开程序，无论物理内存有多大，都不够用。这时候虚拟内存就派上用场了。
前边提到，对于32的机器，理论的可寻址范围是
0-4GB(按字节编址 后同)。既然这样，就基于此给每个进程都创建 4GB 的虚拟地址空间，口头上答应每个进程你们每个人都有 4GB 内存可用，对于每个进程来讲，好像它们都独占了 4GB 的内存，但实际上的物理内存可能只有 1GB，比如 iPhone 6，32位机器，1GB物理内存。那么总共就 1GB 的物理内存，如何分配给那么多的口头上表示要占 4GB 内存的进程(这里是理论值，并不是真的每个进程都需要占用 4GB 内存)？操作系统内核会负责进行内存映射，将各个进程的虚拟内存映射在有限的物理内存上，让所有进程共享物理内存，但是对进程来讲，无法感知到。程序局部性原理与内存分页
为什么操作系统内核敢这么大胆，口头上答应给每个进程远大于实际物理内存的内存空间？原因是基于程序的局部性原理(
locality)，局部性包含了时间局部性和空间局部性，虽然整个程序可能包含了很多数据和指令，但某一特定的时间内，程序总是执行某一特定区域的指令和数据。虽然这一特性不总是发生，但大多数情况下程序还是符合局部性原理，更别说，我们还设计了编译器和链接器，让生成的可执行文件，指令都保存在__TEXT,__text中，数据都保存在__DATA段中。这样，就更加提高了程序的局部性。有了局部性原理的理论支撑，还需要实际的策略。为了能高效的利用内存，和便利的换入换出内存区域，现代操作系统都会采用请求分页机制来管理内存的分配和回收。即将 Cache、主存、磁盘，都分为大小相等的若干块小内存，每一小块称为一页；物理分页通常被做分块(block)，或者页帧(frame)，逻辑分页才被叫做分页 page。各种教材的取名五花八门，这里为了方便同一叫做内存分页。
以 iOS 或者 macOS 为例，在 32 位机器上，每一页大小是 4KB，2^12。64 位机器上，页大小为 16KB, 2^14。这个大小不是固定死的，但基本上别的操作系统也类似。
虚拟内存的结构
为了便于管理，内核在构建虚拟内存的时候，都会按照一些特定的格式，这个格式在各个操作系统上大同小异，主要把虚拟内存分为几个段。 具体每个段的作用，我将在下一篇结合
xnu源码与Mach-O文件仔细讨论。这里我们看到了虚拟内存的基本结构，事实上整个程序的启动过程，大部分工作就是在构建这个虚拟内存结构。其中内核部分的虚拟内存，对用户程序不可见，每个进程的内核虚拟内存最终会被映射到同一片物理内存上。虚拟内存的起始指针被保存在PCB(进程控制块)中，而各个进程的PCB，被内核程序同一管理和调度。
MMU与页表
有了虚拟内存的结构以后，程序运行会完全跑在虚拟内存上，具体则是CPU的PC寄存器指向虚拟内存的
__TEXT,__text区域，自增执行指令，所以CPU获得的地址全部是虚拟地址，那虚拟地址如何映射到具体的物理地址上? 这部分工作由 MMU(Memory Managerment Unit)和页表共同完成。页表中记录了每一个虚拟内存地址对应的物理内存块号。CPU会把该虚拟内存交给MMU，MMU负责将虚拟地址转换为实际的物理地址，然后从中取出指令交给CPU。一般意义的MMU，即包含了页表(软件结构)，也包含了硬件解码器(计算主存块号和块内地址)。MMU 的硬件部分通常和CPU焊接在一起。
页表也是在程序装载的时候创建，页表基地址同样保存在 PCB 中，当发生进程切换时，操作系统内核把需要运行的进程PCB中页表基址载入
页表寄存器中。方便后续的地址转换，地址转换过程中，MMU通过虚拟地址的页号来查询页表，找到对应的物理内存的块号。然后与虚拟内存地址的低位(块内偏移)相加得到真正的物理内存地址。为了加快寻址的过程，会将部分页表的内容缓存在TLB(Translation Lookaside Buffer)，即快表，TLB硬件为 SRAM 结构，访问速度原高于主存(DRAM)。这时，MMU会优先访问快表，不命中的情况下，再次访问慢表(页表，相对快表而言就是慢表)。 上图为 MMU 的基本工作流程，这里以 32位机器为例，则低12位表示了页内偏移。如果是64位，则低14位为页内偏移。实际中，为了节省存储空间，一般会采用多级页表(常为4级)。
缺页中断、页面置换、抖动
当MMU访问页表后，发现页表项中没有对应的物理地址，就会产生缺页中断。这里大致可以分为三种情况
1: 该页面第一次被访问，还没有从磁盘调入物理主存中，或者是匿名逻辑地址，物理内存还没有被分配(例如堆 heap 的分配)。
2: 之前访问该页面，但是由于内存置换，该页面从物理内存置换到了磁盘的交换区。
上图中，2号逻辑页面，还指向磁盘，如果访问2号页面，就会产生缺页中断。无论哪种情况的缺页中断，进程都会通过陷入指令(trap)从用户态转为内核态，程序现场暂时保存，进程暂时阻塞，由内核负责调页，或者创建页面(均指物理内存)，同时更新页表、TLB等，中断返回后，重新执行指令。当程序频繁的发生缺页，或者页面置换时，被称为页面颠簸，或者内存抖动，此时程序运行出现卡顿。操作系统需要调整当前进程的工作集大小，或者清除其他进程的物理内存。
下一步
下一篇，将结合XNU源码和Mach-O进行更加细致的分析上述过程。
参考
2: CMU操作系统公开课