虚拟内存 物理内存

虚拟内存 物理内存

虚拟内存，自然是针对物理内存而言的，理解一个问题时可以从这个问题的对立面去理解。

参考[1]

参考[1]:虚拟内存使用磁盘作为RAM的扩展，从而有效的增加内存的使用率。内核会把当前未使用的内存块内容写到硬盘中去，让内存可以有其他用户。当原来的内容需要的时候，再重新读回内存。这个对用户来说是完全透明的；Linux下运行的程序只看到大量可用的内存而不会注意到其中有一些内存是暂存在磁盘中。当然，读写硬盘比使用内存要蛮，所以程序速度就受影响。作为虚拟内存使用的磁盘空间被称做交换空间。

参考[2]

参考[2]:简单的几行，介绍了虚拟内存地址和物理内存地址的过程，非常喜欢的解释问题的风格。
什么是虚拟内存地址和物理内存地址呢。假设你的计算机是32位，那么它的地址总线是32位的，也就是它可以寻址0~0xFFFFFFFF（4G）的地址空间，但如果你的计算机只有256M的物理内存0x~0x0FFFFFFF（256M），同时你的进程产生了一个不在这256M地址空间中的地址，那么计算机该如何处理呢？回答这个问题前，先说明计算机的内存分页机制。
计算机会对虚拟内存地址空间（32位为4G）分页产生页（page），对物理内存地址空间（假设256M）分页产生页帧（page frame），这个页和页帧的大小是一样大的，所以呢，在这里，虚拟内存页的个数势必要大于物理内存页帧的个数。在计算机上有一个页表（page table），就是映射虚拟内存页到物理内存页的，更确切的说是页号到页帧号的映射，而且是一对一的映射。但是问题来了，虚拟内存页的个数 > 物理内存页帧的个数，岂不是有些虚拟内存页的地址永远没有对应的物理内存地址空间？不是的，操作系统是这样处理的。操作系统有个页面失效（page fault）功能。操作系统找到一个最少使用的页帧，让他失效，并把它写入磁盘，随后把需要访问的页放到页帧中，并修改页表中的映射，这样就保证所有的页都有被调度的可能了。这就是处理虚拟内存地址到物理内存的过程。

参考[3]

参考[3]：讲的很深，很底层，有些《深入理解linux内核》书上也讲过的内容，我一直不是很清楚，如果我明白了内核这些内容对我后面的工作会有什么帮助。
内存空间，都是进程使用的，所以我们从进程说起，下面简单描述进程的虚拟地址到物理地址的一个过程，些许类似于参考[2]。
1. 每个进程的4G内存空间只是虚拟内存空间，每次访问内存空间的某个地址，都需要把虚拟内存地址转化为实际物理内存地址；
2. 所有进程共享同一物理内存，每个进程只把自己目前需要的虚拟内存空间映射并存储到物理内存上。
3. 进程要知道哪些内存地址上的数据在物理内存上，哪些不在，还有在物理内存上的哪里，需要用页表来记录
4. 页表的每一个表项分两部分，第一部分记录此页是否在物理内存上，第二部分记录物理内存页的地址（如果在的话）
5. 当进程访问某个虚拟地址，去看页表，如果发现对应的数据不在物理内存中，则缺页异常
6. 缺页异常的处理过程，就是把进程需要的数据从磁盘上拷贝到物理内存中，如果内存已经满了，没有空地方了，那就找一个页覆盖，当然如果被覆盖的页曾经被修改过，需要将此页写回磁盘。
这是简单描述了一个过程。

事实上
在每个进程创建加载时，内核只是为进程“创建”了虚拟内存的布局，具体就是初始化进程控制表中内存相关的链表，实际上并不立即就把虚拟内存对应位置的程序数据和代码（比如.text .data段）拷贝到物理内存中，只是建立好虚拟内存和磁盘文件之间的映射就好（叫做存储器映射），等到运行到对应的程序时，才会通过缺页异常，来拷贝数据。还有进程运行过程中，要动态分配内存，比如malloc时，也只是分配了虚拟内存，即为这块虚拟内存对应的页表项做相应设置，当进程真正访问到此数据时，才引发缺页异常。

物理内存

参考[3]中讲解的物理内存部分：
在内核态申请内存比在用户态申请内存要更为直接，它没有采用用户态那种延迟分配内存技术。内核认为一旦有内核函数申请内存，那么就必须立刻满足该申请内存的请求，并且这个请求一定是正确合理的。相反，对于用户态申请内存的请求，内核总是尽量延后分配物理内存，用户进程总是先获得一个虚拟内存区的使用权，最终通过缺页异常获得一块真正的物理内存。

1.物理内存的内核映射

IA32架构中内核虚拟地址空间只有1GB大小（从3GB到4GB），因此可以直接将1GB大小的物理内存（即常规内存）映射到内核地址空间，但超出1GB大小的物理内存（即高端内存）就不能映射到内核空间。为此，内核采取了下面的方法使得内核可以使用所有的物理内存。

1).高端内存不能全部映射到内核空间，也就是说这些物理内存没有对应的线性地址。不过，内核为每个物理页框都分配了对应的页框描述符，所有的页框描述符都保存在mem_map数组中，因此每个页框描述符的线性地址都是固定存在的。内核此时可以使用alloc_pages()和alloc_page()来分配高端内存，因为这些函数返回页框描述符的线性地址。
2).内核地址空间的后128MB专门用于映射高端内存，否则，没有线性地址的高端内存不能被内核所访问。这些高端内存的内核映射显然是暂时映射的，否则也只能映射128MB的高端内存。当内核需要访问高端内存时就临时在这个区域进行地址映射，使用完毕之后再用来进行其他高端内存的映射。
由于要进行高端内存的内核映射，因此直接能够映射的物理内存大小只有896MB，该值保存在high_memory中。内核地址空间的线性地址区间如下图所示：

从图中可以看出，内核采用了三种机制将高端内存映射到内核空间：永久内核映射，固定映射和vmalloc机制。
这部分高端内存映射内容《深入理解linux内核》看过一些，再往后的都没怎么看过了。
参考：
[1] http://blog.youkuaiyun.com/htjacky/article/details/20531263
[2] http://blog.youkuaiyun.com/xtzmm1215/article/details/46755087
[3] http://www.cnblogs.com/dyllove98/archive/2013/06/12/3132940.html