有关虚拟内存&物理内存的疑问

[nicolemeimei]

通常程序会有一个内存分配器，用于管理内存地址，并且是管理虚拟地址。印象中的内存分配器基本都会很有序的按照一定策略分配 /释放内存，但我联想到这些都是虚拟地址，最后还需要靠 OS 映射到物理地址，那管理虚拟地址的必要性在哪里？我理解的 internal fragmentation 和 external fragmentation 都是针对虚拟内存的，但毕竟是虚拟的，最后不是还是得从真实的物理地址拿数据吗，最坏的情况是虚拟地址管理的井井有条，但 OS 映射的物理地址乱七八糟，那访问时间不久会大大的增加了？

不知道我上面的理解哪里有问题，请多指教，非常感谢🙏

[dilu]

虚拟内存通过 CPU 中的 mmu 进行映射操作，查询页目录跟页表。好处是进程直接内存是隔离的，同时用户空间不会影响到内核空间。你想想实地址模式跑个 qq 就把操作系统搞挂的场景？这样做大大的增加了稳定性。同时还方便进行碎片内存的回收，也简化了上层调用者的调用逻辑。

你看计算机的各个技术方向，都是分层思想，尽量让每一层都不互相干扰。

[msg7086]

「这些都是虚拟地址，最后还需要靠 OS 映射到物理地址，那管理虚拟地址的必要性在哪里？」

虚拟地址的必要性和最终是否映射到物理地址是无关的，前者无法推出后者结论。
就像说你到了 100 岁牙全掉光了，那现在为什么还要保护牙齿一样。

如果像你说的，去掉了虚拟内存地址，那么所有的程序最终都得读写物理地址。那程序是不是还是要有一个机制去管理哪些地址不能读写，哪些地址能读写。那最后不就等于在每个程序内部重新写了一个内存管理器么。

既然每个程序都要实现内存管理器，不如整个拿出来抽象成一个虚拟内存地址，然后程序只要很简单地申请和释放就行了。

[msg7086]

换句话说，没有「必要性」，但是白嫖的开发成本，为什么不拿呢。
就像说牙齿，反正有假牙，套上也能用，实在不行还能种牙。
但是你还是会保护牙齿，因为性价比高啊。

[systemcall]

虚拟地址与物理地址之间的映射是硬件实现的，优化是硬件厂家的事。SSD 上面系统拿到的照样是虚拟地址，看主控性能
如果想直接用物理地址，欢迎来到嵌入式。能够直接操作物理内存，不仅仅是可以影响到别的进程那么简单，你甚至可以直接操作硬件

[nicolemeimei]

@msg7086 @dilu 非常感谢你们的回复，我之前的理解和表述确实有问题，管理虚拟地址是有必要的。但我认为虚拟地址与物理地址的映射会影响到程序的性能，但研究内存管理器的相关论文，没有看到这些论文在评估设计的内存管理器时考虑这一点，是我过度解读了吗？

[msg7086]

性能当然是有影响的。

但是你反过来想想，现在的操作系统在管理 CPU 分片的时候也有严重的性能损失。
你所有的 CPU 时间都是先交给操作系统，然后操作系统从一大堆进程里挑一个，然后把时间片下放给他。
这个过程每秒钟要执行几十到几百次。

那么如果是你，你会选择花一个小时写个简单的几十行代码来完成你想做的事情，还是去花个半年时间写一个完整的和 CPU 直接交互的私有时间片管理器，然后绕开操作系统，直接从 BIOS/UEFI 引导进你的小程序，就为了这 5%（猜的）的性能？

抽象当然会带来性能上的损失，但是他节约下来的，是全球数千亿美元的开发成本。
一般认为这些都是必须要付出微小代价。
人力成本只会越来越高，硬件成本只会越来越低，没有必要为了个便宜货去搭上昂贵的人工。
这也是为什么高级语言才是开发主力，而底层语言终究还是为了基建。

[nicolemeimei]

@msg7086 嗯嗯，我现在明白了这里头的 trade off 。太谢谢您了！感觉思路开阔了很多！