一 為什么需要使用虛擬內(nèi)存

??? 大家都知道，進(jìn)程需要使用的代碼和數(shù)據(jù)都放在內(nèi)存中，比放在外存中要快很多。問(wèn)題是內(nèi)存空間太小了，不能滿足進(jìn)程的需求，而且現(xiàn)在都是多進(jìn)程，情況更加糟糕。所以提出了虛擬內(nèi)存，使得每個(gè)進(jìn)程用于3G的獨(dú)立用戶內(nèi)存空間和共享的1G內(nèi)核內(nèi)存空間。（每個(gè)進(jìn)程都有自己的頁(yè)表，才使得3G用戶空間的獨(dú)立）這樣進(jìn)程運(yùn)行的速度必然很快了。而且虛擬內(nèi)存機(jī)制還解決了內(nèi)存碎片和內(nèi)存不連續(xù)的問(wèn)題。為什么可以在有限的物理內(nèi)存上達(dá)到這樣的效果呢？

二 虛擬內(nèi)存的實(shí)現(xiàn)機(jī)制

??? 首先呢，提一個(gè)概念，交換空間（swap space），這個(gè)大家應(yīng)該不陌生，在重裝系統(tǒng)的時(shí)候，會(huì)讓你選擇磁盤分區(qū)，就比如說(shuō)一個(gè)硬盤分幾個(gè)部分去管理。其中就會(huì)分一部分磁盤空間用作交換，叫做swap space。其實(shí)就是一段臨時(shí)存儲(chǔ)空間，內(nèi)存不夠用的時(shí)候就用它了，雖然它也在磁盤中，但省去了很多的查找時(shí)間啊。當(dāng)發(fā)生進(jìn)程切換的時(shí)候，內(nèi)存與交換空間就要發(fā)生數(shù)據(jù)交換一滿足需求。所以啊，進(jìn)程的切換消耗是很大的，這也說(shuō)明了為什么自旋鎖比信號(hào)量效率高的原因。

??? 那么我們的程序里申請(qǐng)的內(nèi)存的時(shí)候，linux內(nèi)核其實(shí)只分配一個(gè)虛擬內(nèi)存（?線性地址），并沒(méi)有分配實(shí)際的物理內(nèi)存。只有當(dāng)程序真正使用這塊內(nèi)存時(shí)，才會(huì)分配物理內(nèi)存。這就叫做延遲分配和請(qǐng)頁(yè)機(jī)制。釋放內(nèi)存時(shí)，先釋放線性區(qū)對(duì)應(yīng)的物理內(nèi)存，然后釋放線性區(qū)；"請(qǐng)頁(yè)機(jī)制"將物理內(nèi)存的分配延后了，這樣是充分利用了程序的局部性原來(lái)，節(jié)約內(nèi)存空間，提高系統(tǒng)吞吐；就是說(shuō)一個(gè)函數(shù)可能只在物理內(nèi)存中呆了一會(huì)，用完了就被清除出去了，雖然在虛擬地址空間還在。（不過(guò)虛擬地址空間不是事實(shí)上的存儲(chǔ)，所以只能說(shuō)這個(gè)函數(shù)占據(jù)了一段虛擬地址空間，當(dāng)你訪問(wèn)這段地址時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生缺頁(yè)處理，從交換區(qū)把對(duì)應(yīng)的代碼搬到物理內(nèi)存上來(lái)）

三 物理內(nèi)存與虛擬內(nèi)存的布局

左邊是物理地址分配，與實(shí)際的CPU相關(guān)。4KB的這些都是一些控制器所占有，比如lcdc sd卡，他們的寄存器地址就是這樣定死的。但是呢，我們要訪問(wèn)這些寄存器的時(shí)候，還是不能直接用，要使用內(nèi)存管理的規(guī)則，使用虛擬地址去訪問(wèn)它，所以在驅(qū)動(dòng)等內(nèi)核程序中需要使用虛擬地址訪問(wèn)寄存器。如果有人直接使用物理地址訪問(wèn)寄存器，那么唯一的解釋就是沒(méi)有開(kāi)mmu。不過(guò)這樣你的進(jìn)程就沒(méi)有4G內(nèi)存可以用了。

物理地址分布：

這是偷的別人的圖啦，物理地址有896M直接映射到虛擬地址的內(nèi)存空間，這是一一對(duì)應(yīng)的映射，只有起始地址不一樣，偏移是一樣的。這個(gè)大小大多是固定的，哪怕你的內(nèi)存超過(guò)一個(gè)G，太小了就另外說(shuō)了。注意：用戶區(qū)的代碼也是放在這段物理地址里面的，就是說(shuō)物理地址可以進(jìn)行二次映射。但不管怎么樣，這段物理地址都是受內(nèi)核管理。當(dāng)你內(nèi)存很大的時(shí)候，超過(guò)896M時(shí)，剩余的那些內(nèi)存怎么辦呢？這多出來(lái)的叫做高端內(nèi)存，如果你使用vmalloc申請(qǐng)空間，就會(huì)在高端內(nèi)存中分配，如果你使用kmalloc申請(qǐng)空間，就會(huì)在小于896的內(nèi)存中分配。所以還是很講究的?。?！如果你的程序需要使用高端內(nèi)存，就要調(diào)用內(nèi)核API來(lái)分配，所以高端內(nèi)存并不是想用就能用的哦。不過(guò)通過(guò)系統(tǒng)把一些應(yīng)用常住在高端內(nèi)存到是個(gè)好注意。不過(guò)前提是你的內(nèi)存灰常大啊。

為什么要這樣做呢？先看看這里面放些什么？

虛擬地址分布：

關(guān)于0-3G用戶空間內(nèi)存的分布：

談到段式分布，就要說(shuō)說(shuō)邏輯地址，線性地址與物理地址的關(guān)系：

linux通過(guò)段機(jī)制把邏輯地址轉(zhuǎn)換為虛擬地址（就是線性地址），再通過(guò)頁(yè)機(jī)制把虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址。所謂分段就是基址不同，偏移一樣，比如說(shuō)32位，一般程序里面都不會(huì)使用這么多的位，可以把前12位用作基址，后20位用作偏移，這樣在特定段就可以只使用偏移尋址了。尋址很方便，不過(guò)linux頁(yè)基址做的更好。

最后呢再說(shuō)幾個(gè)點(diǎn)：

1 線性地址空間：指linux系統(tǒng)中的虛擬地址空間。

2 cpu尋址是屬于物理地址。所以在使用cpu尋址前要把地址轉(zhuǎn)換好。

3 物理內(nèi)存中的高端內(nèi)存是DDR減去896M后多出來(lái)的那一段。虛擬地址里面的高端內(nèi)存是指用于映射高端內(nèi)存的虛擬地址空間。不過(guò)高端內(nèi)存被映射到用戶空間，那就是另外一回事了吧。

4 內(nèi)核空間是可以訪問(wèn)用戶空間的，級(jí)別高就是好啊。不過(guò)不是通過(guò)虛擬地址直接訪問(wèn)的。

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