阅读思考
1.为什么要使用虚拟内存？有什么好处
2.既然使用的是虚拟内存，如何找到对应的物理内存？
3.程序的运行分为用户态和内核态

《上》

计算机的计算 ： 第一，进程和线程对于 CPU 的使用；第二，对于内存的管理。
我们说每个进程应该有自己的内存空间。内存空间都是独立 的、相互隔离的。

独享内存空间的原理

• 指令的运行，就难免会产生一些数据，这些数据都要保存在内存“会议室” 并且每个内存都进行了编号/地址(物理地址 or 虚拟地址).
• 为什么要用到虚拟地址？ 如果同时打开三个相同的进程，产生的物理地址就会发生冲突，所以处了内存意外，都要用虚拟地址，封闭开发 ，防止与内存冲突。
• 物理地址对于进程不可见，谁也不能直接访问这个物理地址。操作系统会给进程 分配一个虚拟地址。所有进程看到的这个地址都是一样的，里面的内存都是从 0 开始编号（十六进制）。
• 物理地址 和 虚拟地址 通过映射进行联系。

规划虚拟地址空间

如果执行一个程序， 哪些东西会存放在内存中？

代码需要放在内存里面，全局变量，常量字符串，函数栈 （函数调用），堆(malloc free)， 然后malloc 还涉及到系统调用，内核部分也有一些东西要放在内存里 内核的代码要在内存里面； 内核中也有全局变量；每个进程都要有一个 task_struct； 每个进程还有一个内核栈； 在内核里面也有动态分配的内存；

• 只有内存管理使用物理地址， 其他的都使用虚拟地址
• 虚拟地址的空间 ： 32 位，有 2^32 = 4G , 64 位，在 x86_64 下面，其实只使用了 48 位 相对于 256TB 的地址空间

小结

• 内存管理(上)
• 内存管理包含: 物理内存管理; 虚拟内存管理; 两者的映射
• 除了内存管理模块, 其他都使用虚拟地址(包括内核)
• 虚拟内存空间包含: 内核空间(高地址); 用户空间(低地址)
• 用户空间从低到高布局为: 代码段; DATA 段; BSS 段(未初始化静态变量); 堆段; 内存映射段; 栈地址空间段
• 多个进程看到的用户空间是独立的
• 内核空间: 多个进程看到同一内核空间, 但内核栈每个进程不一样
• 内核代码也仅能访问内核空间
• 内核也有内核代码段, DATA 段, 和 BSS 段; 位于内核空间低地址
• 内核代码也是 ELF 格式

《下》

分段机制

• 分段机制下的虚拟地址由两部分组成，段选择子和段内偏移量。

• 段选择子里面最重要的是段号，用作段表的索引。

• 段表里面保存的是 这个段的基地址、段的界限和特权等级等。

• 虚拟地址中的段内偏移量应该位于 0 和段界限 之间。
  

• 如果要访问段 2 中偏移量 600 的虚拟地址，我们可以计算出物理地址为，段 2 基地址 2000 + 偏移量 600 = 2600。这就是linux用的机制，在 Linux 里面，段表全称段描述符表（segment descriptors），放在全局描述符表 GDT（Global Descriptor Table）里面

• 对于 64 位的和 32 位的，都定义了内核代码段、内核数据段、用户代码段和用户数据段。

• 四个段选择子 : 分段可以做权限审核，例如用户态 DPL 是 3，内核态 DPL 是 0。当用户态试图访问内 核态的时候，会因为权限不足而报错
  

• Linux 倾向于另外一种从虚拟地址到物理地址的转换方式，称为分页（Paging）。 对于内存长时间不要，可以暂时写到硬盘上，称为换出。一旦需要的时候，再加载进来，叫作 换入。这样可以扩大可用物理内存的大小，提高物理内存的利用率。

• 需要有个页表，保存每个页的起始地址，再加上在页内的偏移量，组成线性地址，就能 对于内存中的每个位置进行访问了。
  

• 虚拟地址分为两部分，页号和页内偏移。页号作为页表的索引，页表包含物理页每页所在物 理内存的基地址。这个基地址与页内偏移的组合就形成了物理内存地址。
  
  32位下 : 页目录项 + 页表项 + 页内偏移量 恰好 = 32位
  

• 当然对于 64 位的系统，两级肯定不够了，就变成了四级目录，分别是全局页目录项 PGD（Page Global Directory）、上层页目录项 PUD（Page Upper Directory）、中间 页目录项 PMD（Page Middle Directory）和页表项 PTE（Page Table Entry）。
  

总结

• 第一，虚拟内存空间的管理，将虚拟内存分成大小相等的页；
• 第二，物理内存的管理，将物理内存分成大小相等的页；
• 第三，内存映射，将虚拟内存也和物理内存也映射起来，并且在内存紧张的时候可以换出 到硬盘中。