虛擬內(nèi)存：

第一層理解

1. 每個(gè)進(jìn)程都有自己獨(dú)立的4G內(nèi)存空間，各個(gè)進(jìn)程的內(nèi)存空間具有類似的結(jié)構(gòu)

2. 一個(gè)新進(jìn)程建立的時(shí)候，將會(huì)建立起自己的內(nèi)存空間，此進(jìn)程的數(shù)據(jù)，代碼等從磁盤拷貝到自己的進(jìn)程空間，哪些數(shù)據(jù)在哪里，都由進(jìn)程控制表中的task_struct記錄，task_struct中記錄中一條鏈表，記錄中內(nèi)存空間的分配情況，哪些地址有數(shù)據(jù)，哪些地址無數(shù)據(jù)，哪些可讀，哪些可寫，都可以通過這個(gè)鏈表記錄

3. 每個(gè)進(jìn)程已經(jīng)分配的內(nèi)存空間，都與對應(yīng)的磁盤空間映射

問題：

計(jì)算機(jī)明明沒有那么多內(nèi)存（n個(gè)進(jìn)程的話就需要n*4G）內(nèi)存

建立一個(gè)進(jìn)程，就要把磁盤上的程序文件拷貝到進(jìn)程對應(yīng)的內(nèi)存中去，對于一個(gè)程序?qū)?yīng)的多個(gè)進(jìn)程這種情況，浪費(fèi)內(nèi)存！

第二層理解

1. 每個(gè)進(jìn)程的4G內(nèi)存空間只是虛擬內(nèi)存空間，每次訪問內(nèi)存空間的某個(gè)地址，都需要把地址翻譯為實(shí)際物理內(nèi)存地址

2. 所有進(jìn)程共享同一物理內(nèi)存，每個(gè)進(jìn)程只把自己目前需要的虛擬內(nèi)存空間映射并存儲(chǔ)到物理內(nèi)存上。

3. 進(jìn)程要知道哪些內(nèi)存地址上的數(shù)據(jù)在物理內(nèi)存上，哪些不在，還有在物理內(nèi)存上的哪里，需要用頁表來記錄

4. 頁表的每一個(gè)表項(xiàng)分兩部分，第一部分記錄此頁是否在物理內(nèi)存上，第二部分記錄物理內(nèi)存頁的地址（如果在的話）

5. 當(dāng)進(jìn)程訪問某個(gè)虛擬地址，去看頁表，如果發(fā)現(xiàn)對應(yīng)的數(shù)據(jù)不在物理內(nèi)存中，則缺頁異常

6. 缺頁異常的處理過程，就是把進(jìn)程需要的數(shù)據(jù)從磁盤上拷貝到物理內(nèi)存中，如果內(nèi)存已經(jīng)滿了，沒有空地方了，那就找一個(gè)頁覆蓋，當(dāng)然如果被覆蓋的頁曾經(jīng)被修改過，需要將此頁寫回磁盤

總結(jié)：

優(yōu)點(diǎn)：

1.既然每個(gè)進(jìn)程的內(nèi)存空間都是一致而且固定的，所以鏈接器在鏈接可執(zhí)行文件時(shí)，可以設(shè)定內(nèi)存地址，而不用去管這些數(shù)據(jù)最終實(shí)際的內(nèi)存地址，這是有獨(dú)立內(nèi)存空間的好處

2.當(dāng)不同的進(jìn)程使用同樣的代碼時(shí)，比如庫文件中的代碼，物理內(nèi)存中可以只存儲(chǔ)一份這樣的代碼，不同的進(jìn)程只需要把自己的虛擬內(nèi)存映射過去就可以了，節(jié)省內(nèi)存

3.在程序需要分配連續(xù)的內(nèi)存空間的時(shí)候，只需要在虛擬內(nèi)存空間分配連續(xù)空間，而不需要實(shí)際物理內(nèi)存的連續(xù)空間，可以利用碎片。

另外，事實(shí)上，在每個(gè)進(jìn)程創(chuàng)建加載時(shí)，內(nèi)核只是為進(jìn)程“創(chuàng)建”了虛擬內(nèi)存的布局，具體就是初始化進(jìn)程控制表中內(nèi)存相關(guān)的鏈表，實(shí)際上并不立即就把虛擬內(nèi)存對應(yīng)位置的程序數(shù)據(jù)和代碼（比如.text .data段）拷貝到物理內(nèi)存中，只是建立好虛擬內(nèi)存和磁盤文件之間的映射就好（叫做存儲(chǔ)器映射），等到運(yùn)行到對應(yīng)的程序時(shí)，才會(huì)通過缺頁異常，來拷貝數(shù)據(jù)。還有進(jìn)程運(yùn)行過程中，要?jiǎng)討B(tài)分配內(nèi)存，比如malloc時(shí)，也只是分配了虛擬內(nèi)存，即為這塊虛擬內(nèi)存對應(yīng)的頁表項(xiàng)做相應(yīng)設(shè)置，當(dāng)進(jìn)程真正訪問到此數(shù)據(jù)時(shí)，才引發(fā)缺頁異常。

補(bǔ)充理解：

虛擬存儲(chǔ)器涉及三個(gè)概念： 虛擬存儲(chǔ)空間，磁盤空間，內(nèi)存空間

可以認(rèn)為虛擬空間都被映射到了磁盤空間中，（事實(shí)上也是按需要映射到磁盤空間上，通過mmap），并且由頁表記錄映射位置，當(dāng)訪問到某個(gè)地址的時(shí)候，通過頁表中的有效位，可以得知此數(shù)據(jù)是否在內(nèi)存中，如果不是，則通過缺頁異常，將磁盤對應(yīng)的數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)存中，如果沒有空閑內(nèi)存，則選擇犧牲頁面，替換其他頁面。

mmap是用來建立從虛擬空間到磁盤空間的映射的，可以將一個(gè)虛擬空間地址映射到一個(gè)磁盤文件上，當(dāng)不設(shè)置這個(gè)地址時(shí)，則由系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)置，函數(shù)返回對應(yīng)的內(nèi)存地址（虛擬地址），當(dāng)訪問這個(gè)地址的時(shí)候，就需要把磁盤上的內(nèi)容拷貝到內(nèi)存了，然后就可以讀或者寫，最后通過manmap可以將內(nèi)存上的數(shù)據(jù)換回到磁盤，也就是解除虛擬空間和內(nèi)存空間的映射，這也是一種讀寫磁盤文件的方法，也是一種進(jìn)程共享數(shù)據(jù)的方法 共享內(nèi)存

物理內(nèi)存：

在內(nèi)核態(tài)申請內(nèi)存比在用戶態(tài)申請內(nèi)存要更為直接，它沒有采用用戶態(tài)那種延遲分配內(nèi)存技術(shù)。內(nèi)核認(rèn)為一旦有內(nèi)核函數(shù)申請內(nèi)存，那么就必須立刻滿足該申請內(nèi)存的請求，并且這個(gè)請求一定是正確合理的。相反，對于用戶態(tài)申請內(nèi)存的請求，內(nèi)核總是盡量延后分配物理內(nèi)存，用戶進(jìn)程總是先獲得一個(gè)虛擬內(nèi)存區(qū)的使用權(quán)，最終通過缺頁異常獲得一塊真正的物理內(nèi)存。

1.物理內(nèi)存的內(nèi)核映射

IA32架構(gòu)中內(nèi)核虛擬地址空間只有1GB大小（從3GB到4GB），因此可以直接將1GB大小的物理內(nèi)存（即常規(guī)內(nèi)存）映射到內(nèi)核地址空間，但超出1GB大小的物理內(nèi)存（即高端內(nèi)存）就不能映射到內(nèi)核空間。為此，內(nèi)核采取了下面的方法使得內(nèi)核可以使用所有的物理內(nèi)存。

1).高端內(nèi)存不能全部映射到內(nèi)核空間，也就是說這些物理內(nèi)存沒有對應(yīng)的線性地址。不過，內(nèi)核為每個(gè)物理頁框都分配了對應(yīng)的頁框描述符，所有的頁框描述符都保存在mem_map數(shù)組中，因此每個(gè)頁框描述符的線性地址都是固定存在的。內(nèi)核此時(shí)可以使用alloc_pages()和alloc_page()來分配高端內(nèi)存，因?yàn)檫@些函數(shù)返回頁框描述符的線性地址。

2).內(nèi)核地址空間的后128MB專門用于映射高端內(nèi)存，否則，沒有線性地址的高端內(nèi)存不能被內(nèi)核所訪問。這些高端內(nèi)存的內(nèi)核映射顯然是暫時(shí)映射的，否則也只能映射128MB的高端內(nèi)存。當(dāng)內(nèi)核需要訪問高端內(nèi)存時(shí)就臨時(shí)在這個(gè)區(qū)域進(jìn)行地址映射，使用完畢之后再用來進(jìn)行其他高端內(nèi)存的映射。

由于要進(jìn)行高端內(nèi)存的內(nèi)核映射，因此直接能夠映射的物理內(nèi)存大小只有896MB，該值保存在high_memory中。內(nèi)核地址空間的線性地址區(qū)間如下圖所示：

從圖中可以看出，內(nèi)核采用了三種機(jī)制將高端內(nèi)存映射到內(nèi)核空間：永久內(nèi)核映射，固定映射和vmalloc機(jī)制。

2.物理內(nèi)存管理機(jī)制

基于物理內(nèi)存在內(nèi)核空間中的映射原理，物理內(nèi)存的管理方式也有所不同。內(nèi)核中物理內(nèi)存的管理機(jī)制主要有伙伴算法，slab高速緩存和vmalloc機(jī)制。其中伙伴算法和slab高速緩存都在物理內(nèi)存映射區(qū)分配物理內(nèi)存，而vmalloc機(jī)制則在高端內(nèi)存映射區(qū)分配物理內(nèi)存。

伙伴算法

伙伴算法負(fù)責(zé)大塊連續(xù)物理內(nèi)存的分配和釋放，以頁框?yàn)榛締挝?。該機(jī)制可以避免外部碎片。

per-CPU頁框高速緩存

內(nèi)核經(jīng)常請求和釋放單個(gè)頁框，該緩存包含預(yù)先分配的頁框，用于滿足本地CPU發(fā)出的單一頁框請求。

slab緩存

slab緩存負(fù)責(zé)小塊物理內(nèi)存的分配，并且它也作為高速緩存，主要針對內(nèi)核中經(jīng)常分配并釋放的對象。

vmalloc機(jī)制

vmalloc機(jī)制使得內(nèi)核通過連續(xù)的線性地址來訪問非連續(xù)的物理頁框，這樣可以最大限度的使用高端物理內(nèi)存。

3.物理內(nèi)存的分配

內(nèi)核發(fā)出內(nèi)存申請的請求時(shí)，根據(jù)內(nèi)核函數(shù)調(diào)用接口將啟用不同的內(nèi)存分配器。

3.1 分區(qū)頁框分配器

分區(qū)頁框分配器 (zoned page frame allocator) ,處理對連續(xù)頁框的內(nèi)存分配請求。分區(qū)頁框管理器分為兩大部分:前端的管理區(qū)分配器和伙伴系統(tǒng)，如下圖：

管理區(qū)分配器負(fù)責(zé)搜索一個(gè)能滿足請求頁框塊大小的管理區(qū)。在每個(gè)管理區(qū)中,具體的頁框分配工作由伙伴系統(tǒng)負(fù)責(zé)。為了達(dá)到更好的系統(tǒng)性能,單個(gè)頁框的申請工作直接通過per-CPU頁框高速緩存完成。

該分配器通過幾個(gè)函數(shù)和宏來請求頁框,它們之間的封裝關(guān)系如下圖所示。

這些函數(shù)和宏將核心的分配函數(shù)__alloc_pages_nodemask()封裝,形成滿足不同分配需求的分配函數(shù)。其中，alloc_pages()系列函數(shù)返回物理內(nèi)存首頁框描述符，__get_free_pages()系列函數(shù)返回內(nèi)存的線性地址。

3.2 slab分配器

slab 分配器最初是為了解決物理內(nèi)存的內(nèi)部碎片而提出的，它將內(nèi)核中常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)看做對象。slab分配器為每一種對象建立高速緩存。內(nèi)核對該對象的分配和釋放均是在這塊高速緩存中操作。一種對象的slab分配器結(jié)構(gòu)圖如下：

可以看到每種對象的高速緩存是由若干個(gè)slab組成，每個(gè)slab是由若干個(gè)頁框組成的。雖然slab分配器可以分配比單個(gè)頁框更小的內(nèi)存塊，但它所需的所有內(nèi)存都是通過伙伴算法分配的。

slab高速緩存分專用緩存和通用緩存。專用緩存是對特定的對象，比如為內(nèi)存描述符創(chuàng)建高速緩存。通用緩存則是針對一般情況，適合分配任意大小的物理內(nèi)存，其接口即為kmalloc()。

3.3 非連續(xù)內(nèi)存區(qū)內(nèi)存的分配

內(nèi)核通過vmalloc()來申請非連續(xù)的物理內(nèi)存，若申請成功，該函數(shù)返回連續(xù)內(nèi)存區(qū)的起始地址，否則，返回NULL。vmalloc()和kmalloc()申請的內(nèi)存有所不同，kmalloc()所申請內(nèi)存的線性地址與物理地址都是連續(xù)的，而vmalloc()所申請的內(nèi)存線性地址連續(xù)而物理地址則是離散的，兩個(gè)地址之間通過內(nèi)核頁表進(jìn)行映射。

vmalloc()的工作方式理解起來很簡單：

1).尋找一個(gè)新的連續(xù)線性地址空間；

2).依次分配一組非連續(xù)的頁框；

3).為線性地址空間和非連續(xù)頁框建立映射關(guān)系，即修改內(nèi)核頁表；

vmalloc()的內(nèi)存分配原理與用戶態(tài)的內(nèi)存分配相似，都是通過連續(xù)的虛擬內(nèi)存來訪問離散的物理內(nèi)存，并且虛擬地址和物理地址之間是通過頁表進(jìn)行連接的，通過這種方式可以有效的使用物理內(nèi)存。但是應(yīng)該注意的是，vmalloc()申請物理內(nèi)存時(shí)是立即分配的，因?yàn)閮?nèi)核認(rèn)為這種內(nèi)存分配請求是正當(dāng)而且緊急的；相反，用戶態(tài)有內(nèi)存請求時(shí)，內(nèi)核總是盡可能的延后，畢竟用戶態(tài)跟內(nèi)核態(tài)不在一個(gè)特權(quán)級。