原文：the abstraction: address spaces在早期，構建計算機系統是很簡單的。為什麼？你可能會想。因為使用者期望值不高。都是那些『該死』的使用者，想要乙個"易用"、"高效能"、"可靠"的系統，才引起了一系列頭疼的問題。下一次你遇到這些計算機使用者們，別忘記感謝一下他們製造出來的問題：）
從記憶體的角度來說，早期的機器並沒有提供太多的抽象給使用者。一般而言，機器的物理記憶體可以用下圖表示：
整個 os（圖中的陰影部分，譯者注） 不過就是物理記憶體中的一些routines（本質上來說，乙個 library），在這個例子中，從實體地址的 address 0開始。同時，還有乙個執行的程式（程序）位於實體地址的 address 64k 處，並且獨自佔據了整個剩下的記憶體。使用者並沒對作業系統寄予太大的期望，作業系統程式設計師的生活還是很輕鬆的，不是嗎？
一段時間過後，因為計算機實在是太貴了，人們開始更有效地共享有限的計算資源。於是多道程式設計dv66:programming semantics for multiprogrammed computations 的時代開始了，在乙個時刻，多個程序可以同時等待被執行，然後作業系統不斷在這些程序中切換（比如當前程序進行 io 的時候就可以切換到其他程序）。這樣很有效地提高了 cpu 的利用效率。在那個計算機動輒幾百萬美元的時代，這些效率的提高是非常重要的。
然而，人是永遠不會滿足的，人名開始期待能夠從作業系統那獲取更多功能，於是分時系統的時代開始了。很多人尤其是程式設計師們自己意識到了 batch programming 的侷限性，厭倦了很長（於是效率低下）的 debug 週期。因為很多使用者在同時使用一台計算機，每個人都在等待（甚至可以說是期望）自己的程式返回結果，可互動性（interactivity）的概念開始變得越來越重要。
實現 time sharing 的一種方法是讓乙個程序執行一小段時間，這段時間內讓它佔據所有的記憶體，然後停止它，把其所有的狀態保持到硬碟上（包括所有的物理記憶體！），介面匯入另外乙個程序，執行一段時間...... 這也算是一種簡陋的實現方法。
顯然，這種方法有很大的問題：太慢了，尤其是記憶體不斷增大的時候。儲存和歡迎暫存器級別的狀態（比如 pc，general-purpose registers等等）是很快的，但是要把整個記憶體的全部內容儲存到硬碟，這無疑不是一種高效的方法。所以，我們得想辦法在切換的時候把程序的狀態保持在記憶體裡面。
在這個圖中，有三個程序（a,b,c）,每個佔據 512kb記憶體的一小部分。現在對於 cpu，他可以選擇任何乙個抽象來執行（比如說 a），然後讓另外兩個（b 和 c）等待。
隨著分時系統越來越流行，你肯定猜到了人們又開始提出新的需求了。尤其重要的一點是：讓這麼多程式同時儲存在記憶體裡，保護措施就很重要，你可不希望乙個程序可以看到其他程序的內容，更別說可以隨意修改其他程序的內容。
使用者是很難伺候的，作業系統的設計者得對物理記憶體做乙個抽象，提供乙個好用的介面給他們。我們把這種抽象就叫做位址空間。對於執行中的程式而言，它對物理記憶體是無感知的，它知道的只有位址空間（虛擬的）。理解基本的作業系統抽象，是理解記憶體是如何虛擬化的關鍵！
程序的位址空間包含了執行程序的所有狀態。比如說，**總得儲存在某個地方吧？所以**就在位址空間裡面。程序執行的時候，會用 stack 來儲存當前函式呼叫鏈的位置，分配空間給區域性變數，並且返回值。還有一部分，叫做 heap，被用來儲存動態分配、使用者管理的記憶體，比如呼叫 malloc() 函式，或者 new 乙個物件，都是從這裡面得到需要的記憶體。當然，儲存在位址空間的內容還有很多，目前而言我們只需要關注於這三點就行了。
上圖中，有乙個很小的位址空間（16kb）。程式的**儲存在位址空間的最上方（0-1kb）。**是靜態的，不會增加也不會減少，可以直接放在位址空間的最上部。還有兩部分大小可變的區域，那就是 heap 和 stack。上圖中，stack 和 heap 往兩個不同的方向增長。如進行malloc()申請記憶體時，heap 往下增長；當進行乙個procedure call時，stack 往上增長。當然這只是乙個慣例，並沒有物理上的限制要求一定要這樣,你可以以其他方法重新組織位址空間。（事實上，當多個 threads 共存的時候，也不存在這麼優雅的位址空間劃分方法。）
我們談位址空間的時候，我們談的是作業系統提供給程序的抽象。上圖的程序並不是在物理記憶體的0-16kb 位置，它可以被存放在物理記憶體的任意位置。回顧一下圖13.2，你可以看到每個程序被載入到記憶體的不同位置。
當作業系統這麼做的時候，我們說作業系統是在虛擬化記憶體,因為執行中的程序是以為自己佔據了所有的記憶體的。然而現實很不一樣。
比如說，圖13.2的程序a想要載入位址0處的資料（這裡指的是虛擬記憶體）,作業系統，具備特定的硬體支援，會把這個這個位址0對映到物理記憶體中另外的位置。這個就是記憶體虛擬化的核心，幾乎每乙個現代計算機系統都在試用這種方法。
虛擬記憶體系統的最主要目標是透明化。也就是底層的實體地址對執行的程式不可見。所以，程式根本就不會意識到記憶體是虛擬化的，而是認為自己有乙個完整的私有實體地址。作業系統在幕後，承當著虛擬位址到實體地址的轉換工作。這極大地降低了程式開發者地複雜度！
第二個目標是高效率。作業系統應該更可能讓抽象更加高效，包括時間上的和空間上的。比如，作業系統會依賴於一些硬體，比如 tlb 快取，可以縮短作業系統訪問使用者記憶體的時間。
最後乙個目標是保護。作業系統需要確保程序間是隔離的，乙個程序不能隨意讀取另乙個程序的資料，尤其是不能隨意在別人的地盤亂寫資料，不然會帶來很多很多不可預期的問題。
虛擬記憶體本質上就是一層抽象。作業系統給程式提供了乙個簡單易用的介面，把虛擬記憶體對映成底層的物理記憶體，這中間的複雜度全部交給了作業系統，極大地降低了軟體開發的難度，同時降低了軟體出錯的可能性。
再次深刻地體會到了那句名言：
計算機領域的一切難題都可以通過抽象解決。
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