虚拟内存到底是什么？为什么我们在C语言中看到的地址是假的？

在C语言中，指针变量的值就是一个内存地址，&运算符的作用也是取变量的内存地址，请看下面的代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int a = 1, b = 255;
int main(){
    int *pa = &a;
    printf("pa = %#X, &b = %#X\n", pa, &b);
    system("pause");
    return 0;
}

在 C-Free 5.0 下运行，结果为：

pa = 0X402000, &b = 0X402004

代码中的 a、b 是全局变量，它们的内存地址在链接时就已经决定了，以后再也不能改变，该程序无论在何时运行，结果都是一样的。

那么问题来了，如果物理内存中的这两个地址被其他程序占用了怎么办，我们的程序岂不是无法运行了？

幸运的是，这些内存地址都是假的，不是真实的物理内存地址，而是虚拟地址。虚拟地址通过CPU的转换才能对应到物理地址，而且每次程序运行时，操作系统都会重新安排虚拟地址和物理地址的对应关系，哪一段物理内存空闲就使用哪一段。如下图所示：

虚拟地址

虚拟地址的整个想法是这样的：把程序给出的地址看做是一种虚拟地址（Virtual Address），然后通过某些映射的方法，将这个虚拟地址转换成实际的物理地址。这样，只要我们能够妥善地控制这个虚拟地址到物理地址的映射过程，就可以保证程序每次运行时都可以使用相同的地址。

例如，上面代码中变量 a 的地址是 0X402000，第一次运行时它对应的物理内存地址可能是 0X12ED90AA，第二次运行时可能又对应 0XED90，而我们的程序不需要关心这些，这些繁杂的内存管理工作交给操作系统处理即可。

让我们回到程序的运行本质上来。用户程序在运行时不希望介入到这些复杂的内存管理过程中，作为普通的程序，它需要的是一个简单的执行环境，有自己的内存，有自己的CPU，好像整个程序占有整个计算机而不用关心其他的程序。

除了在编程时可以使用固定的内存地址，给程序员带来方便外，使用虚拟地址还能够使不同程序的地址空间相互隔离，提高内存使用效率。

使不同程序的地址空间相互隔离

如果所有程序都直接使用物理内存，那么程序所使用的地址空间不是相互隔离的。恶意程序可以很容易改写其他程序的内存数据，以达到破坏的目的；有些非恶意、但是有 Bug 的程序也可能会不小心修改其他程序的数据，导致其他程序崩溃。

这对于需要安全稳定的计算机环境的用户来说是不能容忍的，用户希望他在使用计算机的时候，其中一个任务失败了，至少不会影响其他任务。

使用了虚拟地址后，程序A和程序B虽然都可以访问同一个地址，但它们对应的物理地址是不同的，无论如何操作，都不会修改对方的内存。

提高内存使用效率

使用虚拟地址后，操作系统会更多地介入到内存管理工作中，这使得控制内存权限成为可能。例如，我们希望保存数据的内存没有执行权限，保存代码的内存没有修改权限，操作系统占用的内存普通程序没有读取权限等。

另外，当物理内存不足时，操作系统能够更加灵活地控制换入换出的粒度，磁盘 I/O 是非常耗时的工作，这能够从很大程度上提高程序性能。

以上两点我们将在《内存分页机制》和《内存分页机制的实现》中进行详细讲解。

中间层思想

在计算机中，为了让操作更加直观、易于理解、增强用户体验，开发者经常会使用一件法宝——增加中间层，即使用一种间接的方式来屏蔽复杂的底层细节，只给用户提供简单的接口。虚拟地址是使用中间层的一个典型例子。

实际上，计算机的整个发展过程就是不断引入新的中间层：

• 计算机的早期，程序都是直接运行在硬件之上，自己负责硬件的管理工作；程序员也使用二进制进行编程，需要处理各种边界条件和安全问题。
• 后来人们不能忍受了，于是开发出了操作系统，让它来管理各种硬件，同时发明了汇编语言，减轻程序员的负担。
• 随着软件规模的不断增大，使用汇编语言编程开始变得捉襟见肘，不仅学习成本高，开发效率也很低，于是C语言诞生了。C语言编译器先将C代码翻译为汇编代码，再由汇编器将汇编代码翻译成机器指令。
• 随着计算机的发展，硬件越来越强大，软件越来越复杂，人们又不满足于使用C语言了，于是 C++、Java、C#、PHP 等现代化的编程语言诞生了。