内存是计算机的主存储器。内存为进程开辟出进程空间，让进程在其中保存数据。我将从内存的物理特性出发，深入到内存管理的细节，特别是了解虚拟内存和内存分页的概念。

内存

简单地说，内存就是一个数据货架。内存有一个最小的存储单位，大多数都是一个字节。内存用内存地址（memory address）来为每个字节的数据顺序编号。因此，内存地址说明了数据在内存中的位置。内存地址从0开始，每次增加1。这种线性增加的存储器地址称为线性地址（linear address）。为了方便，我们用十六进制数来表示内存地址，比如0x00000003、0x1A010CB0。这里的“0x”用来表示十六进制。“0x”后面跟着的，就是作为内存地址的十六进制数。

内存地址的编号有上限。地址空间的范围和地址总线（address bus）的位数直接相关。CPU通过地址总线来向内存说明想要存取数据的地址。以英特尔32位的80386型CPU为例，这款CPU有32个针脚可以传输地址信息。每个针脚对应了一位。如果针脚上是高电压，那么这一位是1。如果是低电压，那么这一位是0。32位的电压高低信息通过地址总线传到内存的32个针脚，内存就能把电压高低信息转换成32位的二进制数，从而知道CPU想要的是哪个位置的数据。用十六进制表示，32位地址空间就是从0x00000000 到0xFFFFFFFF。

内存的存储单元采用了随机读取存储器（RAM， Random Access Memory）。所谓的“随机读取”，是指存储器的读取时间和数据所在位置无关。与之相对，很多存储器的读取时间和数据所在位置有关。就拿磁带来说，我们想听其中的一首歌，必须转动带子。如果那首歌是第一首，那么立即就可以播放。如果那首歌恰巧是最后一首，我们快进到可以播放的位置就需要花很长时间。我们已经知道，进程需要调用内存中不同位置的数据。如果数据读取时间和位置相关的话，计算机就很难把控进程的运行时间。因此，随机读取的特性是内存成为主存储器的关键因素。

内存提供的存储空间，除了能满足内核的运行需求，还通常能支持运行中的进程。即使进程所需空间超过内存空间，内存空间也可以通过少量拓展来弥补。换句话说，内存的存储能力，和计算机运行状态的数据总量相当。内存的缺点是不能持久地保存数据。一旦断电，内存中的数据就会消失。因此，计算机即使有了内存这样一个主存储器，还是需要硬盘这样的外部存储器来提供持久的储存空间。

虚拟内存

内存的一项主要任务，就是存储进程的相关数据。我们之前已经看到过进程空间的程序段、全局数据、栈和堆，以及这些这些存储结构在进程运行中所起到的关键作用。有趣的是，尽管进程和内存的关系如此紧密，但进程并不能直接访问内存。在Linux下，进程不能直接读写内存中地址为0x1位置的数据。进程中能访问的地址，只能是虚拟内存地址（virtual memory address）。操作系统会把虚拟内存地址翻译成真实的内存地址。这种内存管理方式，称为虚拟内存（virtual memory）。

每个进程都有自己的一套虚拟内存地址，用来给自己的进程空间编号。进程空间的数据同样以字节为单位，依次增加。从功能上说，虚拟内存地址和物理内存地址类似，都是为数据提供位置索引。进程的虚拟内存地址相互独立。因此，两个进程空间可以有相同的虚拟内存地址，如0x10001000。虚拟内存地址和物理内存地址又有一定的对应关系，如图1所示。对进程某个虚拟内存地址的操作，会被CPU翻译成对某个具体内存地址的操作。