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虚拟地址空间映射到物理地址空间参考如下当处理器读或写入内存位置时，它会使用虚拟地址。作为读或写操作的一部分，处理器将虚拟地址转换为物理地址。通过虚拟地址访问内存有以下优势：
程序可以使用一系列相邻的虚拟地址来访问物理内存中不相邻的大内存缓冲区。
程序可以使用一系列虚拟地址来访问大于可用物理内存的内存缓冲区。当物理内存的供应量变小时，内存管理器会将物理内存页(通常大小为 4 KB)保存到磁盘文件。数据或代码页会根据需要在物理内存与磁盘之间移动。
不同进程使用的虚拟地址彼此隔离。一个进程中的代码无法更改正在由另一进程或操作系统使用的物理内存。
进程可用的虚拟地址范围称为该进程的“虚拟地址空间”。每个用户模式进程都有其各自的专用虚拟地址空间。 对于 32 位进程，虚拟地址空间通常为 2 GB，范围从 0x00000000 至 0x7FFFFFFF。对于 64 位进程，虚拟地址空间为 8 TB，范围从 0x000'00000000 至 0x7FF'FFFFFFFF。一系列虚拟地址有时称为一系列“虚拟内存”。
此图说明了虚拟地址空间的一些重要功能。
该图显示了两个 64 位进程的虚拟地址空间：Notepad.exe 和 MyApp.exe。每个进程都有其各自的虚拟地址空间，范围从 0x000'0000000 至 0x7FF'FFFFFFFF。每个阴影框都表示虚拟内存或物理内存的一个页面(大小为 4 KB)。注意，Notepad 进程使用从 0x7F7'93950000 开始的虚拟地址的三个相邻页面。但虚拟地址的这三个相邻页面会映射到物理内存中的非相邻页面。而且还注意，两个进程都使用从 0x7F7'93950000 开始的虚拟内存页面，但这些虚拟页面都映射到物理内存的不同页面。
用户空间和系统空间诸如 Notepad.exe 和 MyApp.exe 的进程在用户模式下运行。核心操作系统组件和多个驱动程序在更有特权的内核模式下运行。有关处理器模式的详细信息，请参阅用户模式和内核模式。每个用户模式进程都有其各自的专用虚拟地址空间，但在内核模式下运行的所有代码都共享称为“系统空间”的单个虚拟地址空间。当前用户模式进程的虚拟地址空间称为“用户空间”。
在 32 位 Windows 中，可用的虚拟地址空间共计为 2^32 字节(4 GB)。通常较下的 2 GB 用于用户空间，较上的 2 GB 用于系统空间。
在 32 位 Windows 中，你可以指定(在启动时)超过 2 GB 用于用户空间。结果是系统空间可用的虚拟地址更少。可以将用户空间的大小增至 3 GB，在这种情形下系统空间仅有 1 GB。若要增大用户空间的大小，请使用 BCDEdit /set increaseuserva。
在 64 位 Windows 中，虚拟地址空间的理论大小为 2^64 字节(16 百亿亿字节)，但实际上仅使用 16 百亿亿字节范围的一小部分。范围从 0x000'00000000 至 0x7FF'FFFFFFFF 的 8 TB 用于用户空间，范围从 0xFFFF0800'00000000 至 0xFFFFFFFF'FFFFFFFF 的 248 TB 的部分用于系统空间。
用户模式下运行的代码可以访问用户空间，但不能访问系统空间。此限制可防止用户模式代码读或更改受保护的操作系统数据结构。内核模式下运行的代码既可以访问用户空间，也可以访问系统空间。即，在内核模式下运行的代码可以访问系统空间和当前用户模式进程的虚拟地址空间。
在内核模式下运行的驱动程序必须在直接从用户空间地址中读取或写入这些地址时非常小心。此方案说明了原因。
用户模式程序发起从设备读取某些数据的请求。程序提供缓冲区的起始地址以接收数据。
在内核模式下运行的设备驱动程序例程启动读取操作并将控制权返回到其调用程序。
然后，设备中断了当前运行的任何线程以显示读取操作完成。 中断由在此任意线程上运行的内核模式驱动程序例程进行处理，该例程属于任意进程。
此时，驱动程序不得将数据写入用户模式程序在步骤 1 中提供的开始地址。此地址位于发起请求的进程的虚拟地址空间，该进程可能很大程度上不同于当前进程。
虚拟地址(Virtual Address Space)
Win32通过一个两层的表结构来实现地址映射，因为每个进程都拥有私有的4G的虚拟内存空间，相应的，每个进程都有自己的层次表结构来实现其地址映射。
第一层称为页目录，实际就是一个内存页，Win32的内存页有4KB大小，这个内存页以4个字节分为1024项，每一项称为“页目录项”(PDE);
第二层称为页表，这一层共有1024个页表，页表结构与页目录相似，每个页表也都是一个内存页，这个内存页以4KB的大小被分为1024项，页表的每一项被称为页表项(PTE)，易知共有1024×1024个页表项。每一个页表项对应一个物理内存中的某一个“内存页”，即共有1024×1024个物理内存页，每个物理内存页为4KB，这样就可以索引到4G大小的虚拟物理内存。
如下图所示(注下图中的页目录项的大小应该是4个字节，而不是4kB)：
Win32提供了4GB大小的虚拟地址空间。因此每个虚拟地址都是一个32位的整数值，也就是我们平时所说的指针，即指针的大小为4B。它由三部分组成，如下图：
这三个部分的第一部分，即前10位为页目录下标，用来寻址页目录项，页目录项刚好1024个。找到页目录项后，找对页目录项对应的的页表。第二部分则是用来在页表内寻址，用来找到页表项，共有1024个页表项，通过页表项找到物理内存页。第三部分用来在物理内存页中找到对应的字节，一个页的大小是4KB，12位刚好可以满足寻址要求。
具体的例子：
假设一个线程正在访问一个指针(Win32的指针指的就是虚拟地址)指向的数据，此指针指为0x2A8E317F,下图表示了这一个过程:
0x2A8E317F的二进制写法为0010101010_0011100011_000101111111，为了方便我们把它分为三个部分。
首先按照0010101010寻址，找到页目录项。因为一个页目录项为4KB，那么先将0010101010左移两位，001010101000(0x2A8)，用此下标找到页目录项，然后根据此页目录项定位到下一层的某个页表。
然后按照0011100011寻址，在上一步找到页表中寻找页表项。寻址方法与上述方法类似。找到页表项后，就可以找到对应的物理内存页。
最后按照000101111111寻址，寻找页内偏移。
上面的假设的是此数据已在物理内存中，其实判断访问的数据是否在内存中也是在地址映射过程中完成的。Win32系统总是假设数据已在物理内存中，并进行地址映射。页表项中有一位标志位，用来标识包含此数据的页是否在物理内存中，如果在的话，就直接做地址映射，否则，抛出缺页中断，此时页表项也可标识包含此数据的页是否在调页文件中(外存)，如果不在则访问违例，程序将会退出，如果在，页表项会查出此数据页在哪个调页文件中，然后将此数据页调入物理内存，再继续进行地址映射。为了实现每个进程拥有私有4G的虚拟地址空间，也就是说每个进程都拥有自己的页目录和页表结构，对不同进程而言，即使是相同的指针(虚拟地址)被不同的进程映射到的物理地址也是不同的，这也意味着在进程之间传递指针是没有意义的。
