什么叫“虚拟地址空间”？

一句话：它是 CPU 看得见、App 以为自己独享，但实际上会被内核和硬件（MMU）动态翻译到真实 物理内存 的一整块“虚拟地图”。

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1. 背景：为什么要“虚拟”？

需求	虚拟地址空间能做什么
进程隔离	给每个进程各分一套 0 → N 的地址，互不重叠，进程 A 读不到进程 B 的数据。
内存保护	页级读/写/执行权限由页表标记；越界访问马上抛 EXC_BAD_ACCESS。
弹性分配	物理内存碎片化无关紧要，只要虚拟地址连续即可（“看上去一整块”）。
高级特性	Copy‑on‑Write、内存映射文件 (mmap)、共享库复用、ASLR、PAC …

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2. 在 iOS/arm64 上怎么实现？

2.1  MMU + 页表

• MMU（Memory Management Unit）：CPU 访存时，把 64‑bit 虚拟地址 拆成多级索引，通过页表（TTBR0 / TTBR1 指向）翻译成 48‑bit 物理地址。
• 页大小：iOS 全系 16 KiB；一页是虚拟空间管理的基本粒度。
• 属性位：每个页表条目有 RWX 标志、用户/内核态位、内存类型（缓存/设备）等。

2.2 用户态 vs 内核态

区域	arm64 虚拟高位	典型范围 (48‑bit VA)	说明
用户空间	[0, 0x0000_FFFF_FFFF]	0 → 128 TiB	每个进程独占；App 代码、堆、栈、JIT、dyld shared cache…
内核空间	[0xFFFF_0000_0000_0000, 2⁶⁴)	顶部 128 TiB	所有进程共享同一内核映像与数据；受 KTRR/PACDMA 保护

• 两块空间由 异常级别（EL0 / EL1） 与 TTBR 的切换隔离：App 只能使用下半部地址，高位一旦访问就触发权限异常。
• 高位还用到 Top‑Byte‑Ignore (TBI)：高 8 bit 可存自定义 tag（例如 Swift 的指针压缩、MTE 内存标记等）。

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3. 64‑bit 设备典型虚拟地址布局（示意）

0x0000_0000_0000_0000
│  保留页 (NULL, guard)
├─ Mach-O 主可执行 (PIE, text+data)
├─ __DATA_CONST / 读取‑仅映射
├─ Heap   ⇡ 动态增长
│
│  (空洞，可供 mmap / JIT / stack 使用)
│
├─ Thread #N Stack ⇣ 向下增长
│    └─ Guard Page (不可访问)
│
├─ dyld shared cache   (私有或共享段)
└─  …  (高地址)
0x0000_FFFF_FFFF_FFFF   ← 用户空间顶
───────────────────────
0xFFFF_0000_0000_0000   ← 内核空间起
├─ Kernel Mach‑O + KEXT (KASLR)
└─ I/O 映射、vmalloc、kstack…
0xFFFF_FFFF_FFFF_FFFF   ← 64‑bit 顶

每次 App 启动、设备冷启动 时，这些段会因为 ASLR 被整体“滑动”（加上 slide 值），但相对排列不变。

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4. 与开发者相关的日常场景

你在做什么	虚拟地址空间发生了什么
使用 malloc	内核在“堆区”后方找一块尚未用过的虚拟页，映射物理内存并返回 虚拟指针。
调试崩溃日志	0x104a74000 这样的指针是“已经加了 slide 的虚拟地址”；需要减去 slide 才能对应符号表。
开启 JIT / Metal	虚拟页被标记为可执行或设备内存，MMU 读到属性位后，用不同缓存策略访问。
访问空指针 / 越界	目标虚拟页没有映射或权限位不匹配 → MMU 触发 Page Fault，内核抛异常。

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5. 小结

• 虚拟地址空间 = “给每个进程画的一张 私有地图”；
• MMU + 页表 做“坐标翻译”与“边界安检”；
• iOS 在这张地图上再叠加 ASLR、PAC、KTRR、代码签名 等多重防护。

借助虚拟地址空间，iOS 既能让每个 App 看到一个 连续、干净且安全 的内存世界，也能让内核在背后高效地管理、隔离、复用有限的物理内存资源。