一、讓有意義的事情變的有意思

二、物理內存、虛擬內存

三、Linux 中的換頁機制

一、讓有意義的事情變的有意思

昨天,看到下面這句話,送給您:

讓有意思的事情變的有意義,讓有意義的事情變的有意思!

不敢說這是一句人生哲學,但是我們可以從這句話中找到我們做一件事情時的導向。

比如:在學習 Linux 操作系統的過程中,很多枯燥無味的知識點,都是不好玩、沒有意思的事情。

但是為什么我們還要逼著自己,靜下心來啃那些大部頭書籍呢?因為這件事情有意義!

所以啊,如果能夠在這件有意義的事情上,再變得更有意思,那就可以調動我們潛在的很多積極性。

這篇文章,我們用簡單、輕松的方式,來聊一下老生常談的虛擬內核和物理內存的那些事。

二、物理內存、虛擬內存 1． 從 x86 硬件角度看

在 x86 平臺上,主存儲器(也就是我們說說的內存)負責存儲指令和數據,它的作用僅次于 CPU。

離開了內存,性能再好的 CPU 也無法工作。

就像人類的大腦一樣,如果沒有了記憶功能,再怎么聰明都無法施展。

內存被劃分為若干個存儲單元,從 0 開始編號,一直到最大的那個存儲單元。

CPU 通過地址總線來定位一個內存的空間,通過數據總線從內存中讀取數據、或者向內存中寫入數據。

我們都知道,同一個 x86 平臺的硬件,既可以安裝 Windows 操作系統,也可以安裝 Linux 操作系統。

也就是說,在生產硬件的時候,它并不知道: 在自己的硬件之上,將會運行什么樣的程序。

也許會有高手直接寫一個牛逼的程序,直接來管理各種硬件資源、實現自己特定的功能呢!?

不管如何,x86 平臺處理器架構定義了自己的一套規則來訪問內存。

因此,從 x86 平臺硬件角度看,只有(物理)內存這個東西,它壓根不知道什么是虛擬內存。

2． 從操作系統的角度看

操作系統最重要的功能就是:向應用程序屏蔽了各種硬件資源,提供更加友好的接口,讓程序開發變得更容易。

所以,操作系統會充分利用硬件的各種運行機制,然后進行抽象、包裝,面向應用程序開發者提供一個穩定的環境。

那么對于內存來說,操作系統向下對物理內存進行管理,向上對應用程序提供虛擬內存。

虛擬內存,就是操作系統在應用程序與物理內存之間加入的一層抽象,加入這個抽象層之后,有很多的好處。

3． 從應用程序開發者的角度看

在很久以前,各種單片機、嵌入式 MCU 上,編寫應用程序的時候,經常會面對內存很緊張的情況,這是就要很好的來優化自己的程序,利用有限的硬件資源來實現一些功能。

(突然想起多年之前的以為老工程師對我說,面對那么有限的一點資源,都會想哭!)

隨著硬件的快速發展,這種硬件資源緊張的情況好像很少遇到了,給我們的感覺是:內存我可以隨便用,想要多少就 malloc 多少。

當然了,操作系統會給出一些限制的,這只是操作系統層面的限制,因為它有自己的考量因素。

當應用程序提出申請一塊內存空間時,操作系統為了滿足應用程序的需求,就會從虛擬內存中“劃分”出一塊空間,然后把這個空間的開始地址返回給應用程序。

因此,從應用程序開發的角度看,我們并不關心物理內存、虛擬內存。

只要我 malloc 了,操作系統給我一個足夠的空間就行!至于這個空間是從哪里分配的,I don't care!

也就是說,應用程序是面向虛擬內存編寫的,而不是面向物理內存編寫的。

當然了,最終存儲數據的肯定是物理內存,至于虛擬內存如何與物理內存建立對應的映射關系,這就是由操作系統操心的事情了。

每個應用程序只能看到自己的虛擬內存空間,這是一塊連續的空間,從而保證了不同應用程序之間的隔離,達到安全目的。

三、Linux 中的換頁機制

如今,我們去攢一臺 PC 機,內存條最少都是 8G、16G吧!但是在多年之前,這是非常、非常奢侈的一件事情,主要還是價格的因素。

我記得自己在做畢業設計的時候,為了保存代碼,去南京珠江路買了一個 U 盤,64G,好像是 70 塊錢。

相比內存來說,硬盤的價格就便宜多了!

因此,Linux 操作系統就充分利用硬盤來糊弄應用程序,讓應用程序覺得有永遠也用不完的內存資源。

在一個 32 位的系統中,應用程序可以訪問的最大內存空間是 2 的 32 次方,也就是 4 GB,即使此時實際的物理內存并沒有這么大。

其實這就類似于一家旅館,假如有一個老板,開了一家旅館,一共有 1000 個房間。

同時,老板還有一個空間更大的倉庫,倉庫里可以放 10000 個床鋪。

這個老板很聰明,他明白 2 個事實情況:

旅行團或顧客只能看到這個旅館的門頭和大廳,并不知道旅館里面的房間布局;

旅行團并不會在同一時刻、扎堆的同時來住宿;

因此老板在對外宣傳的時候,就說:我的旅館很大,有 10000 個房間,歡迎前來入住!

為了簡化問題,我們假設每個旅行團有 100 人。

在某個時間,當有第一批的 3 個旅行團入住的時候,老板覺得房間足夠,于是把這 300 人都安排在旅館的房間中。

過了一會,又來了第二批 4 個旅行團,此時總的住宿人數變成了 700 人。

老板開始計算:一共就 1000 個房間,現在消耗掉 700 個了,還剩 300 個,還能撐一會。

沒多久,第三批顧客上門了,這回是 5 個旅行團的人數:500 人 。因為老板宣傳說:有 10000 個房間,充足的很。

老板在面對這新的 500 個人時,只見他從容的把第一批和第二批的 700 個人,從房間中轉移到倉庫。

我們假設顧客都處于睡眠狀態,僅僅需要一張床而已,不需要消耗其他的資源。

然后把這新的 500 人,安排在房間中入住。

此時,一共入住了 300 + 400 + 500 =  1200 人,雖然旅館只有 1000 個房間,但是通過借用倉庫去暫時存放處于睡眠狀態的顧客,此時旅館中還剩下 500 個空閑的房間。

還可以繼續接待客人。。

當到了 第一批的 3 個旅行團退房的時間時,老板再把這 300  人從倉庫中 偷偷地轉移到旅館的房間中。這些客人醒來一看,還是我入睡時的那個環境,很好很好。。。

以上這個過程,就非常類似 Linux 系統中虛擬內存的換頁方式:

虛擬內存 = 對外宣傳的 10000 個房間;

物理內存 = 實際的 1000 個房間;  

硬盤        = 只有床鋪的倉庫。

當物理內存不夠的時候,操作系統把一些物理內存頁的內存暫時存儲到空間更大、價格更便宜的硬盤上,然后就可以回收這些物理內存繼續使用了。

怎么樣,通過這樣的類比方式,是不是對 Linux 系統中的虛擬內存有更加感性的認識?

最后,再向你安利一下文章開頭的那句話:

當你面對一件有意義、但是沒意思的事情時,不妨考慮給它加點意思;而當你面對有意思、但是沒意義的事情時,也可以給它賦予一些意義!