Linux内存管理-深入解析Linux内存管理机制

因为物理内存是多个进程所有的，每个进程都有一个用户空间。如果采用直接映射的话，对应的物理地址是会冲突的。其用户空间的逻辑地址大小都为 3G，所以存在逻辑地址相同，但是对应的物理地址不同。需要通过页表来转化，一个进程会对应一个页表。

3、如何将虚拟地址映射到物理内存：

虚拟地址通过 页表： 将 虚拟地址： 转化为 物理地址，每个进程都对应着一个页表，：：内核只有一个页表。：

虚拟空间 和 物理内存 都按照 4k 来分页，一个虚拟空间中的页 和 物理内存中页 是 一一对应的。

页表映射：

如上图所示，将虚拟地址中的页号 通过页表转化为 对应的物理页号，然后通过页内偏移量 就可以得到对应的 物理地址了。

但是 1 个进程就需要一个页表，一个 4G 的内存条，就需要 1M 个页表记录来描述，假如 1 个 页表记录需要 4个字节，那么就需要 4MB。而且页表记录是通过下标来对应的，通过虚拟页号来乘以对应的页表项大小来计算得到对应的地址的。

所以 Linux 将 4M 分为 1K 个 4K， 一个 4K 对应着一个 page，用来存储对应的真正的页表记录。将 1K 个 page 分开存放，就不要求连续的 4M 了。

如果将 4M 分成 1K 个离散的 page 的话，怎么虚拟地址对应的页表号呢？

利用指针，存储 1K 个地址，分别指向这 1K 个 page， 地址的大小为 4 个字节，也就是32位，完全可以表示整个内存的地址范围。

1K * 4个字节，正好是一个 page 4k，所以 也就是利用 1 个 page来存储对应的页表记录索引。

所以 我们的虚拟地址寻找过程如下：：

1>、找到对应的页表记录索引位置，因为有 1K 个索引，所以用 10 位就可以表示了

2>、通过索引可以找到对应的真正的页表地址，对应的有 1K 个页表记录，所以用 10 位就可以表示了

3>、1个页有 4K，通过 12 位就可以表示其页内偏移量了。

所以虚拟地址被分为了三部分：

1>、10位 表示索引偏移

2>、10位 表示页表记录偏移

3>、 12位 表示页内偏移

虽然这种方式增加了索引项，进一步增加了内存，但是减少了连续内存的使用，通过离散的内存就可以存储页表。

这是对于32位系统，而 64 位系统采用了5级页表。

映射流程图：

用户态申请内存时，只会申请对应的虚拟地址，不会直接为其分配物理内存，而是等到真正访问内存的时候，产生缺页中断，然后内核才会为其分配，然后为其建立映射，也就是建立对应的页表项。

TLB：

TLB 就是一个缓存，放在 CPU 中。用来将虚拟地址和对应的物理地址进行缓存。当查询对应的物理地址的时候，首先查询 TLB，如果TLB中存在对应的记录，就直接返回。如果不存在，就再去查询页表。

虚拟内存：

虚拟内存： 指的是 将硬盘中划出一段 swap 分区 当作 虚拟的内存，用来存放内存中暂时用不到的内存页，等到需要的时候再从 swap 分区中 将对应的内存页：调入到 内存中。硬盘此时相当于一个虚拟的内存。

从逻辑上能够运行更大内存的程序，因为程序运行的时候并不需要把所有数据都加载到内存中，只需要将当前运行必要的相关程序和数据加载到内存中就可以了，当需要其他数据和程序的时候，再将其调入。

相较于真正的内存加载，虚拟内存需要将数据在内存和磁盘中不断切换，这是一个耗时的操作，所以速度比不上真正的内存加载。

总结：

虚拟空间 和 物理内存 都分为 内核空间 和 用户空间。

虚拟地址需要通过页表转化为物理地址，然后才能访问。

用户虚拟空间 只能映射 物理内存中的用户内存，无法映射到物理内存中的内核内存，也就是说，用户进程只能操作用户内存。

内核空间 只能被 内核 申请使用，用户进程只能操作用户空间的物理内存和虚拟空间。

当用户进程 调用系统调用的时候，会将其对应的代码和数据运行在内核空间中。

所以当调用 内核空间 读取文件或者网络数据的时候，首先会将数据拷贝到内存空间，然后在将数据从内核空间拷贝到用户空间。因为 用户进程不能访问内核空间。