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linux內(nèi)存虛擬地址映射物理地址

2021-11-26 14:35

Linux 內(nèi)核給每個(gè)進(jìn)程都提供了一個(gè)獨(dú)立的虛擬地址空間，并且這個(gè)地址空間是連續(xù)的。虛擬地址空間的內(nèi)部又被分為內(nèi)核空間和用戶空間兩部分。不同字長(zhǎng)（也就是單個(gè) CPU 指令可以處理數(shù)據(jù)的最大長(zhǎng)度）的處理器，地址空間的范圍也不同。

其中，所有進(jìn)程的內(nèi)核空間，關(guān)聯(lián)的都是相同的物理內(nèi)存。進(jìn)程切換到內(nèi)核態(tài)后，才可以訪問(wèn)內(nèi)核空間內(nèi)存。我們下面說(shuō)到的分段只針對(duì)用戶空間。

有兩種方式管理虛擬地址與物理地址之間的關(guān)系。

1、段式管理（Segment）：由段選擇子和段內(nèi)偏移量找到物理地址。

用戶空間從低地址到高地址分別是五種不同的內(nèi)存段。

代碼段（只讀段），包括代碼和常量等。

數(shù)據(jù)段，包括全局變量等。

堆，包括動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存，從低地址開(kāi)始向上增長(zhǎng)。

文件映射段，包括動(dòng)態(tài)庫(kù)、共享內(nèi)存等，從高地址開(kāi)始向下增長(zhǎng)。（本圖沒(méi)有畫(huà)出）

棧，包括局部變量和函數(shù)調(diào)用的上下文等。棧的大小是固定的，一般是 8 MB。

分段容易出現(xiàn)碎片，內(nèi)存交換效率低（不容易換出到磁盤）的問(wèn)題。為了解決這兩個(gè)問(wèn)題，就出現(xiàn)了內(nèi)存分頁(yè)。

2、頁(yè)式管理（Paging）：虛擬地址分為兩部分，頁(yè)號(hào)和頁(yè)內(nèi)偏移。

MMU 規(guī)定了一個(gè)內(nèi)存映射的最小單位，也就是頁(yè)，通常是 4 KB 大小。為了解決頁(yè)表項(xiàng)過(guò)多的問(wèn)題，有多級(jí)頁(yè)表和大頁(yè)兩種方式。

并不是給進(jìn)程的所有的虛擬內(nèi)存都會(huì)分配物理內(nèi)存，只有那些實(shí)際使用的虛擬內(nèi)存才分配物理內(nèi)存。這叫程序的局部性原理。根據(jù)此原理，為了提高訪問(wèn)速度，MMU（Memory Manage Unit）里配有一個(gè)硬件：TLB（Translation Lookaside Buffer）。用于緩存進(jìn)程常用頁(yè)表。

內(nèi)存分段和內(nèi)存分頁(yè)并不是對(duì)立的，他們組合起來(lái)使用，通常稱為段頁(yè)式內(nèi)存管理。

程序所使用的地址，稱為邏輯地址；

通過(guò)段式內(nèi)存管理映射的地址，稱為虛擬地址（線性地址）；

通過(guò)頁(yè)式內(nèi)存管理將線性地址映射成物理地址。