一 為什么需要使用虛擬內存

??? 大家都知道，進程需要使用的代碼和數據都放在內存中，比放在外存中要快很多。問題是內存空間太小了，不能滿足進程的需求，而且現在都是多進程，情況更加糟糕。所以提出了虛擬內存，使得每個進程用于3G的獨立用戶內存空間和共享的1G內核內存空間。（每個進程都有自己的頁表，才使得3G用戶空間的獨立）這樣進程運行的速度必然很快了。而且虛擬內存機制還解決了內存碎片和內存不連續的問題。為什么可以在有限的物理內存上達到這樣的效果呢？

二 虛擬內存的實現機制

??? 首先呢，提一個概念，交換空間（swap space），這個大家應該不陌生，在重裝系統的時候，會讓你選擇磁盤分區，就比如說一個硬盤分幾個部分去管理。其中就會分一部分磁盤空間用作交換，叫做swap space。其實就是一段臨時存儲空間，內存不夠用的時候就用它了，雖然它也在磁盤中，但省去了很多的查找時間啊。當發生進程切換的時候，內存與交換空間就要發生數據交換一滿足需求。所以啊，進程的切換消耗是很大的，這也說明了為什么自旋鎖比信號量效率高的原因。

??? 那么我們的程序里申請的內存的時候，linux內核其實只分配一個虛擬內存（?線性地址），并沒有分配實際的物理內存。只有當程序真正使用這塊內存時，才會分配物理內存。這就叫做延遲分配和請頁機制。釋放內存時，先釋放線性區對應的物理內存，然后釋放線性區；"請頁機制"將物理內存的分配延后了，這樣是充分利用了程序的局部性原來，節約內存空間，提高系統吞吐；就是說一個函數可能只在物理內存中呆了一會，用完了就被清除出去了，雖然在虛擬地址空間還在。（不過虛擬地址空間不是事實上的存儲，所以只能說這個函數占據了一段虛擬地址空間，當你訪問這段地址時，就會產生缺頁處理，從交換區把對應的代碼搬到物理內存上來）

三 物理內存與虛擬內存的布局

左邊是物理地址分配，與實際的CPU相關。4KB的這些都是一些控制器所占有，比如lcdc sd卡，他們的寄存器地址就是這樣定死的。但是呢，我們要訪問這些寄存器的時候，還是不能直接用，要使用內存管理的規則，使用虛擬地址去訪問它，所以在驅動等內核程序中需要使用虛擬地址訪問寄存器。如果有人直接使用物理地址訪問寄存器，那么唯一的解釋就是沒有開mmu。不過這樣你的進程就沒有4G內存可以用了。

物理地址分布：

這是偷的別人的圖啦，物理地址有896M直接映射到虛擬地址的內存空間，這是一一對應的映射，只有起始地址不一樣，偏移是一樣的。這個大小大多是固定的，哪怕你的內存超過一個G，太小了就另外說了。注意：用戶區的代碼也是放在這段物理地址里面的，就是說物理地址可以進行二次映射。但不管怎么樣，這段物理地址都是受內核管理。當你內存很大的時候，超過896M時，剩余的那些內存怎么辦呢？這多出來的叫做高端內存，如果你使用vmalloc申請空間，就會在高端內存中分配，如果你使用kmalloc申請空間，就會在小于896的內存中分配。所以還是很講究的啊?。∪绻愕某绦蛐枰褂酶叨藘却?，就要調用內核API來分配，所以高端內存并不是想用就能用的哦。不過通過系統把一些應用常住在高端內存到是個好注意。不過前提是你的內存灰常大啊。

為什么要這樣做呢？先看看這里面放些什么？

虛擬地址分布：

關于0-3G用戶空間內存的分布：

談到段式分布，就要說說邏輯地址，線性地址與物理地址的關系：

linux通過段機制把邏輯地址轉換為虛擬地址（就是線性地址），再通過頁機制把虛擬地址轉換為物理地址。所謂分段就是基址不同，偏移一樣，比如說32位，一般程序里面都不會使用這么多的位，可以把前12位用作基址，后20位用作偏移，這樣在特定段就可以只使用偏移尋址了。尋址很方便，不過linux頁基址做的更好。

最后呢再說幾個點：

1 線性地址空間：指linux系統中的虛擬地址空間。

2 cpu尋址是屬于物理地址。所以在使用cpu尋址前要把地址轉換好。

3 物理內存中的高端內存是DDR減去896M后多出來的那一段。虛擬地址里面的高端內存是指用于映射高端內存的虛擬地址空間。不過高端內存被映射到用戶空間，那就是另外一回事了吧。

4 內核空間是可以訪問用戶空間的，級別高就是好啊。不過不是通過虛擬地址直接訪問的。

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