虚拟地址与物理地址的区别

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现代计算系统的核心构建块是计算机内存。它用于跟踪处理器当前正在执行的信息和指令。程序使用地址来访问内存，地址标识内存中数据的位置。

物理地址和虚拟地址是计算中使用的两种不同类型的内存地址。物理地址指向内存中的特定物理位置，而虚拟地址由操作系统映射到物理地址。虚拟寻址可以防止一个进程的内存被另一个进程访问，并允许计算机使用超出其物理内存容量的内存。

什么是虚拟地址？

虚拟地址是指进程或程序用于引用其地址空间内内存区域的地址。此内存地址与计算机内存中的特定物理位置之间没有直接关联。相反，它指的是一个虚拟内存地址，由计算机的操作系统映射到一个物理内存地址。

现代计算机操作系统必须具有虚拟寻址功能，因为它允许多个进程同时运行而不会相互干扰。每个进程都有自己独特的虚拟地址空间，与其他进程的虚拟地址空间隔离。

虚拟寻址还可以更有效地利用物理内存，允许操作系统在物理内存有限时将进程的虚拟内存部分存储在辅助存储设备（如硬盘驱动器或固态驱动器）中。此过程称为虚拟内存管理，用于扩展可用内存量，而无需向系统添加更多物理内存。

虚拟地址的优点

以下是使用虚拟地址的一些优点：

• 提高内存利用率 − 通过将不常用数据置于辅助存储设备上，虚拟寻址允许计算机使用超出其物理内存容量的内存。

• 内存保护 − 每个进程都有一个单独的虚拟地址空间，该空间受到其他进程访问的保护，从而防止进程间内存访问。

• 增强安全性 − 虚拟寻址可以通过防止恶意程序访问其分配位置之外的内存来增强系统安全性。

虚拟地址的缺点

以下是使用虚拟地址的一些缺点：

• 开销 − 使用虚拟寻址时，将虚拟地址转换为物理地址的过程会增加额外的开销，并可能导致性能下降。

• 碎片化 − 使用虚拟寻址可能会导致内存碎片化，因为不同的进程可能占据不同大小的内存块，从而导致未使用的内存块分散在地址空间中。

• 复杂性 − 使用虚拟寻址会使操作系统更复杂，并需要额外的硬件支持，这可能会增加系统成本。

什么是物理地址？

物理地址是指直接标识计算机内存中物理位置的内存地址。它是计算机 RAM 或其他形式的物理内存（如闪存驱动器或硬盘驱动器）中存储位置的精确位置。

计算机硬件（如内存管理单元 (MMU)）使用物理地址来访问和修改存储在内存中的数据。MMU 将软件使用的物理地址转换为电信号，该信号指示数据在内存硬件中的精确位置。

物理地址通常以二进制格式表示，由一串位组成，用于唯一标识内存中的一个位置。用于表示物理地址的位数决定了计算机可以访问的最大内存量。

在现代计算机系统中，物理地址和虚拟地址通常一起使用，允许操作系统通过将虚拟地址映射到物理地址来更好地管理系统的内存。此过程称为虚拟内存管理，用于扩展可用内存量，而无需向系统添加更多物理内存。

物理地址的优点

以下是使用物理地址的一些优点：

• 直接访问内存 − 物理地址允许直接访问内存硬件，从而可以快速有效地访问存储在内存中的数据。直接访问内存。

• 易于内存管理 − 物理地址和内存位置之间存在直接对应关系，这使得物理内存管理变得简单易行。

• 无额外开销 − 使用物理地址访问内存时没有额外的开销，因为地址不需要转换为其他格式。

• 可预测的内存使用 − 物理地址提供了一种可预测的内存分配和使用方式，这可以简化程序设计。

物理地址的缺点

以下是使用物理地址的一些缺点：

• 受限的内存容量 − 可以使用物理地址访问的内存量受硬件体系结构提供的地址线的数量限制。这可能限制系统使用内存的能力。

• 内存碎片化 − 由于内存块具有固定大小，因此物理内存很容易出现碎片化，导致未使用的内存块无法被程序利用。

• 安全问题 − 物理地址允许直接访问内存硬件，恶意程序可以使用物理地址访问其分配空间之外的内存，从而可能危及系统安全性。

逻辑地址与物理地址

下表重点介绍了逻辑地址和物理地址的主要区别：

术语	逻辑地址	物理地址
定义	逻辑地址是由 CPU 在程序运行时生成的。	物理地址对应于内存位置。
位置	由于逻辑地址在内存中并不实际存在，因此也称为虚拟地址。	物理地址在内存单元中指定一个位置。
访问	逻辑地址用作访问物理地址的参考点。	无法直接访问实际地址。
地址空间	逻辑地址空间是指 CPU 关于某个程序生成的所有逻辑地址的集合。	相反，物理地址空间指的是所有已转换为逻辑地址的物理地址。

结论

总而言之，虚拟地址和物理地址是计算机内存管理中的关键概念。虚拟地址由操作系统用于映射到物理地址，而物理地址指的是数据在内存中的精确物理位置。除了保护进程彼此隔离并使系统能够使用超出物理容量的内存之外，虚拟寻址还有其他几个优点。

本教程介绍了虚拟地址和物理地址之间的区别，以及它们的优缺点。我们还介绍了操作系统使用虚拟地址管理内存的方法，例如内存映射和页表。