虛擬記憶體

虛擬記憶體

虛擬記憶體（Virtual Memory）是一種計算機記憶體管理技術，它通過軟硬體結合的方式，使得應用程式能夠使用比實際物理記憶體更大的記憶體空間。作業系統將部分硬碟空間模擬成記憶體使用，從而擴展了可用的記憶體容量。

虛擬記憶體的核心機制是分頁（Paging）和分段（Segmentation）：

• 分頁技術：將記憶體劃分為固定大小的「頁」（Page），並將當前使用的頁保留在物理記憶體中，不常用的頁暫存到硬碟的交換檔案（Swap File）中。

• 分段技術：按邏輯單元（如程式碼段、數據段）劃分記憶體，但現代作業系統更多採用分頁機制。

當程式訪問的數據不在物理記憶體時，會觸發頁面錯誤（Page Fault），作業系統會從硬碟載入所需頁面，並可能將其他頁面移出以騰出空間。

• 擴展記憶體容量：允許執行比物理記憶體更大的程式。

• 記憶體隔離與保護：每個程式擁有獨立的虛擬位址空間，避免互相干擾。

• 提高多工效率：多個程式可共享物理記憶體，作業系統動態分配資源。

• 效能損耗：頻繁的硬碟讀寫（交換操作）會降低系統速度。

• 硬碟空間占用：需預留部分硬碟空間作為交換檔案。

• 可能導致「抖動」（Thrushing）：當記憶體嚴重不足時，系統會頻繁交換頁面，導致效能急劇下降。

現代作業系統（如Windows、Linux、macOS）均採用虛擬記憶體技術：

• Windows：使用「pagefile.sys」作為交換檔案。

• Linux：採用「swap分區」或「swap檔案」實現虛擬記憶體。

• macOS：使用「動態交換」技術管理記憶體。

• 調整交換檔案大小：手動設定合適的交換空間，避免系統自動管理不足。

• 增加物理記憶體：減少對虛擬記憶體的依賴，提高效能。

• 使用SSD：固態硬碟的讀寫速度比傳統硬碟快，可降低交換延遲。

虛擬記憶體的概念最早由德國計算機科學家Fritz-Rudolf Güntsch於1956年提出，並在1960年代由曼徹斯特大學的Atlas電腦首次實現。隨著作業系統的發展，虛擬記憶體成為現代計算的基礎技術之一。

虛擬記憶體技術極大地提升了計算機的多工處理能力，使程式能夠突破物理記憶體的限制。儘管存在效能損耗問題，但透過合理配置和硬體升級，可以有效優化其表現。