Linux虚拟内存

一、虚拟内存定义

 虚拟内存是计算机系统内存管理的一种技术。
 它使应用程序认为它拥有连续可用的内存（一个连续完整的地址空间）。

二、其他概念

物理内存指通过物理内存条而获得的内存空间。
物理地址是指CPU外部地址总线上的寻址物理内存的地址信号。标识了在物理内存上的唯一位置。
逻辑地址是指由程序产生的与段相关的偏移地址部分。
线性地址是逻辑地址到物理地址变换之间的中间层。
CPU是通过地址总线来指定存储单元的,地址总线的宽度决定了CPU的寻址能力。

三、虚拟内存基本原理

三、虚拟内存技术的实现

• 虚拟内存实际是通过CPU的MMU（内存管理单元）分页机制来实现的。
• 分页技术会将物理内存分为固定大小的块，称为帧。帧的大小一般是4KB，这个是由硬件决定。
• 逻辑内存也分为相同大小的块，成为页。
• CPU的内存管理单元（MMU)提供了将逻辑地址转换成物理地址的功能。
• 页表是一种内核的数据结构，用来将虚拟地址空间映射到物理地址空间虚拟地址。
• 每个进程有自己的页表，页表维护在内存里，由操作系统管理。CPU通过页面基寄存器访问页表项。
• CPU还提供了转换表缓存区（TLB）缓存部分页表条目，以便更快地实现逻辑地址到物理地址的转换。

四、Linux下的实现

• 不同的CPU采用不同的分页级别，分为二级分页、三级分页、四级分页。
• 64位Linux统一采用4级分页来兼容不同CPU的分页机制。由主目录页，中间目录页和页内偏移组成。
• 每级可存储512个条目，一个虚拟地址长度为9+9+9+9+12=48位。
• Linux中逻辑地址等于线性地址。为什么这么说呢？因为Linux绕过了X86的分段机制，所有的段（用户代码段、用户数据段、内核代码段、内核数据段）的线性地址都是从 0x00000000 开始。
• 如果启用了CPU的分页机制，那么线性地址可以再经变换以产生一个物理地址。
• 若没有启用分页机制，那么线性地址直接就是物理地址。

五、x86 32位下，逻辑地址到物理地址的转换

• 主目录页目录是的地址（物理地址）放在CPU的cr3寄存器中，是进行地址转换的开始点。
• 根据逻辑地址的前10位取到页目录上的位置，从该位置拿到中间页目录的起始物理地址。
• 根据逻辑地址的中间10位取到中间页目录上的位置，从该位置拿到物理页帧的起始物理地址。
• 物理页帧的起始地址加上逻辑地址的后12位（页内偏移）得到逻辑地址对应的物理地址。
  

六、虚拟内存分配

• 用户程序是不能直接申请物理内存的，申请的都是虚拟内存。
• 应用程序申请分配了某个大小的内存，并不表示实际申请了该大小的物理内存。
• 物理内存的分配会延迟到虚拟内存的特定页被访问时，如果该页还没分配物理内存，才会申请分配，这个机制叫做缺页中断。

七、虚拟内存机制的优点

• 因为用户进程无法直接申请和访问物理内存，保证了各进程间的内存隔离，是没办法访问到其他进程的内存的。
• 缺页中断机制，将实际物理内存的分配延迟到了访问时，有效节省了内存。
• 用户进程可以分配一块较大连续的逻辑地址空间，但实际的物理地址空间可以是不连续的。
• 虚拟内存机制还可以把内存数据交换到磁盘，等需要访问的时候再加载进来。