物理内存
在早期的 CPU 指令集里，从内存中加载数据，向内存中写入数据都是直接操作物理内存。也就是说每一个数据存储在内存的什么位置，都由程序员自己负责。
但是直接访问物理内存，存在着一个很大的问题。
内存不不够用该怎么办？每个进程分配多少内存？如何保证指令中访存地址的正确性？
很明显这些问题由程序员负责是难以忍受的。这个时候我们要怎么办呢？
基于局部性原理，CPU 为程序员虚拟化了一层内存，我们只需要与虚拟内存打交道就可以了。
局部性原理
在绝大多数程序的运行过程中，当前指令大概率会引用最近访问过的数据。即程序的数据访问会表现出明显的倾向性。这种倾向性就是局部性原理。
可以从两个方面来理解局部性原理。第一个方面是时间局部性，即被访问过一次的内存位置很可能在不远的将来会被再次访问；另一方面是空间局部性，说的是如果一个内存位置被引用过，那么它邻近的位置在不远的将来也有很大概率会被访问。
基于这个原理，我们可以做出一个合理的推论：无论一个进程占用的内存资源有多大，在任一时刻，它需要的物理内存都是很少的。在这个推论的基础上，CPU 为每个进程只需要保存很少的内存就可以保证进程的正常执行。
为了让程序员编程方便，CPU 和OS还联手编织了一个假象：每个进程都独享 128T 的虚拟内存空间，并且地址空间都是相互隔离的。比如说进程 A 中有个变量 a，它的地址是 0x100，进程 B 中也有个变量 b，它的地址也是 0x100。但这并不会造成冲突。
可以对比下直接操作物理内存和操作虚拟内存，程序员要关心的事情都有哪些。
操作物理内存的情况下，需要知道每一个变量的位置都安排在了哪里，还要注意不能与其他进程地址冲突。项目中成百万的变量和函数，都要给它计算一个合理的位置，还不能与其他进程冲突，这是根本不可能完成的任务。
而操作虚拟内存的情况就简单多了。你可以独占 128T 内存，其他进程与我们没有关系。为变量和函数分配地址的活交给链接器去自动安排。这一切都是因为虚拟内存能够提供内存地址空间的隔离，极大地扩展了可用空间。
这是什么意思呢？虚拟内存不仅让每个进程都有独立的、私有的内存空间，而且这个地址空间比可用的物理内存要大得多。不过任何虚拟内存最终都要映射到物理内存，但虚拟内存的大小又远超真实的物理内存的大小。具体是怎么做到的呢？
虚拟内存与程序局部性原理
答案很简单，CPU 充分利用程序局部性原理，提出了虚拟内存和物理内存的映射 (Mapping) 机制。OS管理着这种映射关系，所以在写代码时就不用再操心物理内存的使用情况，你看到的内存就是虚拟内存。
映射关系以页为单位。
虽然虚拟内存提供了很大的空间，但进程启动之后，这些空间并不是全部都能使用的。开发者必须要使用 malloc 等分配内存的接口才能将内存从待分配状态变成已分配状态。
在得到一块虚拟内存后，这块内存是未映射状态，它并没有被映射到相应的物理内存，直到对该块内存进行读写时，os才为它分配物理内存。
在虚拟内存中连续的页面，在物理内存中不必是连续的。只要维护好从虚拟内存页到物理内存页的映射关系，就能正确地使用内存了。映射关系是os通过页表来自动维护的，不必操心。
计算机的虚拟内存大小是不一样的。虚拟地址空间往往与机器字宽有关系。例如 32 位机器上，指向内存的指针是 32 位的，所以它的虚拟地址空间是 2 的 32 次方，也就是 4G。在 64 位机器上，指向内存的指针就是 64 位的，但在 64 位系统里 只使用了低 48 位，所以它的虚拟地址空间是 2 的 48 次方，也就是 256T。
页表的结构
页表的本质是页表项 (Page Table Entry, PTE) 的数组，虚拟空间中的每一个页在页表中都有一个 PTE 与之对应，PTE 中会记录这个虚拟内存页所对应的实际物理页的起始地址。
每个页表项都是 4 字节。人们将 1024 个页表项组成一张页表。大小刚好是 4K，占据一个内存页，这样就更加方便管理。当前市场上主流的处理器也都选择将页大小定为 4K。 一个页表项对应着一个大小为 4K 的页，1024 个页表项所能支持的空间就是 4M。为了编码更多地址，必须使用更多的页表。而且，为了管理这些页表，引入了页表的数组：页目录表。
页目录表中的每一项叫做页目录项 (PDE)，每个 PDE 都对应一个页表，它记录了页表开始处的物理地址，这就是多级页表结构。现代的 64 位处理器上，为了 编码更大的空间，还存在更多级的页表。
一个 CPU 怎么找到真实地址？
以32bit机器为例
CPU先从页目录基址寄存器(CR3)得到最高级页目录表的基地址。32位的虚拟地址拆成10、10、12位 3段，在目录表基址上加上高10位的值乘4（一个页目录项占4字节，1024个页目录项组成1页，刚好需要10bit进行编码），现在找到页表的位置，和上面一样用中10位定位到页表项地址。最后通过页表项存的地址+低12位的地址进行偏移（12位刚好可以对一页内的所有字节编码：4096字节）。
而64位使用48位虚拟地址，使用4级页表，和32位的3级页表相似
