虛擬內(nèi)存

虛擬內(nèi)存就是在你電腦的物理內(nèi)存不夠用時(shí)把一部分硬盤(pán)空間作為內(nèi)存來(lái)使用，這部分硬盤(pán)空間就叫作虛擬內(nèi)存。

硬盤(pán)傳輸?shù)乃俣纫葍?nèi)存?zhèn)鬏斔俣嚷枚?，所以虛擬內(nèi)存比物理內(nèi)存的效率要慢得多。

斷電后數(shù)據(jù)丟失。

虛擬地址空間

虛擬地址空間是一個(gè)非常抽象的概念，先根據(jù)字面意思進(jìn)行解釋?zhuān)?/p>

• 它可以用來(lái)加載程序數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)可能被加載到物理內(nèi)存上，空間不夠就加載到虛擬內(nèi)存中）

• 它對(duì)應(yīng)著一段連續(xù)的內(nèi)存地址，起始位置為 0。

• 之所以說(shuō)虛擬是因?yàn)檫@個(gè)起始的 0 地址是被虛擬出來(lái)的， 不是物理內(nèi)存的 0 地址。

虛擬地址空間的大小也由操作系統(tǒng)決定，32位的操作系統(tǒng)虛擬地址空間的大小為 2^32 字節(jié)，也就是 4G，64 系統(tǒng)的操作系統(tǒng)虛擬地址空間大小為 2^64 字節(jié)，這是一個(gè)非常大的數(shù)，感興趣的可以自己計(jì)算一下。

關(guān)于虛擬4G內(nèi)存的描述和解析：

一個(gè)進(jìn)程用到的虛擬地址是由內(nèi)存區(qū)域表來(lái)管理的，實(shí)際用不了4G。而用到的內(nèi)存區(qū)域，會(huì)通過(guò)頁(yè)表映射到物理內(nèi)存。

所以每個(gè)進(jìn)程都可以使用同樣的虛擬內(nèi)存地址而不沖突，因?yàn)樗鼈兊奈锢淼刂穼?shí)際上是不同的。內(nèi)核用的是3G以上的1G虛擬內(nèi)存地址，其中896M是直接映射到物理地址的，128M按需映射896M以上的所謂高位內(nèi)存。各進(jìn)程使用的是同一個(gè)內(nèi)核。

首先要分清“可以尋址”和“實(shí)際使用”的區(qū)別。

其實(shí)我們講的每個(gè)進(jìn)程都有4G虛擬地址空間，講的都是“可以尋址”4G，意思是虛擬地址的0-3G對(duì)于一個(gè)進(jìn)程的用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)來(lái)說(shuō)是可以訪問(wèn)的，而3-4G是只有進(jìn)程的內(nèi)核態(tài)可以訪問(wèn)的。并不是說(shuō)這個(gè)進(jìn)程會(huì)用滿這些空間。

其次，所謂“獨(dú)立擁有的虛擬地址”是指對(duì)于每一個(gè)進(jìn)程，都可以訪問(wèn)自己的0-4G的虛擬地址。虛擬地址是“虛擬”的，需要轉(zhuǎn)化為“真實(shí)”的物理地址。

好比你有你的地址簿，我有我的地址簿。你和我的地址簿都有1、2、3、4頁(yè)，但是每頁(yè)里面的實(shí)際內(nèi)容是不一樣的，我的地址簿第1頁(yè)寫(xiě)著3你的地址簿第1頁(yè)寫(xiě)著4，對(duì)于你、我自己來(lái)說(shuō)都是用第1頁(yè)（虛擬），實(shí)際上用的分別是第3、4頁(yè)（物理），不沖突。

內(nèi)核用的896M虛擬地址是直接映射的，意思是只要把虛擬地址減去一個(gè)偏移量（3G）就等于物理地址。同樣，這里指的還是尋址，實(shí)際使用前還是要分配內(nèi)存。而且896M只是個(gè)最大值。如果物理內(nèi)存小，內(nèi)核能使用（分配）的可用內(nèi)存也小。

進(jìn)程的虛擬地址空間分為用戶區(qū)(03G)和內(nèi)核區(qū)(34G), 其中內(nèi)核區(qū)是受保護(hù)的, 用戶是不能夠?qū)ζ溥M(jìn)行讀寫(xiě)操作的；

內(nèi)核區(qū)對(duì)于所有進(jìn)程是共享的；系統(tǒng)中所有進(jìn)程對(duì)應(yīng)的虛擬地址空間的內(nèi)核區(qū)都會(huì)映射到同一塊物理內(nèi)存上（系統(tǒng)內(nèi)核只有一個(gè)）。

虛擬地址空間中用戶區(qū)地址范圍是 0~3G，里邊分為多個(gè)區(qū)塊：

• 保留區(qū): 位于虛擬地址空間的最底部，未賦予物理地址。任何對(duì)它的引用都是非法的，程序中的空指針（NULL）指向的就是這塊內(nèi)存地址。

• .text段: 代碼段也稱(chēng)正文段或文本段，通常用于存放程序的執(zhí)行代碼 (即 CPU 執(zhí)行的機(jī)器指令)，代碼段一般情況下是只讀的，這是對(duì)執(zhí)行代碼的一種保護(hù)機(jī)制。

• .data段: 數(shù)據(jù)段通常用于存放程序中已初始化且初值不為 0 的全局變量和靜態(tài)變量。數(shù)據(jù)段屬于靜態(tài)內(nèi)存分配 (靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū))，可讀可寫(xiě)。

• .bss段: 未初始化以及初始為 0 的全局變量和靜態(tài)變量，操作系統(tǒng)會(huì)將這些未初始化的變量初始化為 0

• 堆(heap)：用于存放進(jìn)程運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存。

• 堆中內(nèi)容是匿名的，不能按名字直接訪問(wèn)，只能通過(guò)指針間接訪問(wèn)。

• 堆向高地址擴(kuò)展 (即 “向上生長(zhǎng)”)，是不連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域。這是由于系統(tǒng)用鏈表來(lái)存儲(chǔ)空閑內(nèi)存地址，自然不連續(xù)，而鏈表從低地址向高地址遍歷。

• 內(nèi)存映射區(qū)(mmap)：作為內(nèi)存映射區(qū)加載磁盤(pán)文件，或者加載程序運(yùn)作過(guò)程中需要調(diào)用的動(dòng)態(tài)庫(kù)。

• 棧(stack): 存儲(chǔ)函數(shù)內(nèi)部聲明的非靜態(tài)局部變量，函數(shù)參數(shù)，函數(shù)返回地址等信息，棧內(nèi)存由編譯器自動(dòng)分配釋放。棧和堆相反地址 “向下生長(zhǎng)”，分配的內(nèi)存是連續(xù)的。

• 命令行參數(shù)：存儲(chǔ)進(jìn)程執(zhí)行的時(shí)候傳遞給 main() 函數(shù)的參數(shù)，argc，argv []，env[]

• 環(huán)境變量: 存儲(chǔ)和進(jìn)行相關(guān)的環(huán)境變量，比如：工作路徑，進(jìn)程所有者等信息

內(nèi)存管理單元MMU

MMU位于CPU內(nèi)，作用：

• 程序中使用的地址均是虛擬內(nèi)存地址，進(jìn)程中的數(shù)據(jù)是如何進(jìn)入到物理內(nèi)存中的呢？

• MMU完成虛擬內(nèi)存到物理內(nèi)存的映射，即虛擬地址映射為物理地址；

• 流水線中預(yù)取指令取到的地址是虛擬地址，需要MMU轉(zhuǎn)換以及設(shè)置訪問(wèn)權(quán)限

MMU采用分頁(yè)機(jī)制(即按頁(yè)來(lái)劃分物理內(nèi)存)

用MMU的是：Windows、MacOS、Linux、Android；

不用MMU的是：FreeRTOS、VxWorks、UCOS……

與此相對(duì)應(yīng)的：CPU也可以分成兩類(lèi)，帶MMU的、不帶MMU的。

帶MMU的是：Cortex-A系列、ARM9、ARM11系列；

不帶MMU的是：Cortex-M系列……（STM32是M系列，沒(méi)有MMU，不能運(yùn)行Linux，只能運(yùn)行一些UCOS、FreeRTOS等等）。

虛擬地址和物理地址的映射關(guān)系存儲(chǔ)在頁(yè)表中，而現(xiàn)在頁(yè)表又是分級(jí)的

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頁(yè)表：

實(shí)現(xiàn)從頁(yè)號(hào)到物理塊號(hào)的地址映射。

邏輯地址轉(zhuǎn)換成物理地址的過(guò)程是：用頁(yè)號(hào)p去檢索頁(yè)表，從頁(yè)表中得到該頁(yè)的物理塊號(hào)，把它裝入物理地址寄存器中。同時(shí)，將頁(yè)內(nèi)地址d直接送入物理地址寄存器地塊內(nèi)地址字段中。這樣，物理地址寄存器中的內(nèi)容就是由二者拼接成的實(shí)際訪問(wèn)內(nèi)存的地址，從而完成了從邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換。

TLB快表：

TLB是MMU中的一塊高速緩存,也是一種Cache.

TLB就是頁(yè)表的Cache，其中存儲(chǔ)了當(dāng)前最可能被訪問(wèn)到的頁(yè)表項(xiàng)，其內(nèi)容是部分頁(yè)表項(xiàng)的一個(gè)副本。只有在TLB無(wú)法完成地址翻譯任務(wù)時(shí)，才會(huì)到內(nèi)存中查詢頁(yè)表，這樣就減少了頁(yè)表查詢導(dǎo)致的處理器性能下降。

如果沒(méi)有TLB，則每次取數(shù)據(jù)都需要兩次訪問(wèn)內(nèi)存,即查頁(yè)表獲得物理地址和取數(shù)據(jù).

虛擬地址空間以頁(yè)為單位進(jìn)行劃分，而相應(yīng)的物理地址空間也被劃分，其使用的單位稱(chēng)為頁(yè)幀，頁(yè)幀和頁(yè)必須保持相同，因?yàn)?strong>內(nèi)存與外部存儲(chǔ)器之間的傳輸是以頁(yè)為單位進(jìn)行傳輸?shù)?/strong>。例如，MMU可以通過(guò)一個(gè)映射項(xiàng)將VA的一頁(yè)0xb70010000xb7001fff映射到PA的一頁(yè)0x20000x2fff，如果CPU執(zhí)行單元要訪問(wèn)虛擬地址0xb7001008，則實(shí)際訪問(wèn)到的物理地址是0x2008。

虛擬內(nèi)存的哪個(gè)頁(yè)面映射到物理內(nèi)存的哪個(gè)頁(yè)幀是通過(guò)頁(yè)表（Page Table）來(lái)描述的，頁(yè)表保存在物理內(nèi)存中，MMU會(huì)查找頁(yè)表來(lái)確定一個(gè)VA應(yīng)該映射到什么PA。

• 內(nèi)存訪問(wèn)級(jí)別的設(shè)置和修改(內(nèi)存保護(hù))，在完成映射的同時(shí)，會(huì)設(shè)置CPU訪問(wèn)該段內(nèi)存的訪問(wèn)級(jí)別(3,2,1,0 Linux只有用戶空間3，內(nèi)核空間0)，

如圖：

ro表示read only

0和3表示訪問(wèn)級(jí)別

程序運(yùn)行了兩次，產(chǎn)生兩個(gè)獨(dú)立的進(jìn)程，因此虛擬地址空間不一樣

兩個(gè)進(jìn)程共用一個(gè)內(nèi)核區(qū)，映射一份(圖中也要通過(guò)MMU映射，懶得話而已)即可，其中兩個(gè)進(jìn)程的PCB不一樣

用戶區(qū)需要單獨(dú)映射

MMU執(zhí)行過(guò)程

OS和MMU是這樣配合的：

1. 操作系統(tǒng)在初始化或分配、釋放內(nèi)存時(shí)會(huì)執(zhí)行一些指令在物理內(nèi)存中填寫(xiě)頁(yè)表，然后用指令設(shè)置MMU，告訴MMU頁(yè)表在物理內(nèi)存中的什么位置。

2. 設(shè)置好之后，CPU每次執(zhí)行訪問(wèn)內(nèi)存的指令都會(huì)自動(dòng)引發(fā)MMU做查表和地址轉(zhuǎn)換操作，地址轉(zhuǎn)換操作由硬件自動(dòng)完成，不需要用指令控制MMU去做。

我們?cè)诔绦蛑惺褂玫淖兞亢秃瘮?shù)都有各自的地址，在程序被編譯后，這些地址就成了指令中的地址，指令中的地址就成了CPU執(zhí)行單元發(fā)出的內(nèi)存地址，所以在啟用MMU的情況下， 程序中使用的地址均是虛擬內(nèi)存地址，都會(huì)引發(fā)MMU進(jìn)行查表和地址轉(zhuǎn)換操作。（注意理解這句話）

內(nèi)存保護(hù)機(jī)制

中斷和異常

• 中斷由外部設(shè)備產(chǎn)生，而 異常由CPU內(nèi)部產(chǎn)生的

• 中斷產(chǎn)生與CPU當(dāng)前執(zhí)行的指令無(wú)關(guān)，而異常是由于當(dāng)前執(zhí)行的指令出現(xiàn)問(wèn)題導(dǎo)致的g

處理器一般有用戶模式（User Mode）和特權(quán)模式（privileged Mode）之分。操作系統(tǒng)可以在頁(yè)表中設(shè)置每個(gè)頁(yè)表訪問(wèn)權(quán)限，有些頁(yè)表不可以訪問(wèn)，有些頁(yè)表只能在特權(quán)模式下訪問(wèn)，有些頁(yè)表在用戶模式和特權(quán)模式下都可以訪問(wèn)，同時(shí)，訪問(wèn)權(quán)限又分為可讀、可寫(xiě)和可執(zhí)行三種。這樣設(shè)定之后，當(dāng)CPU要訪問(wèn)一個(gè)VA（Virtual Address）時(shí)，MMU會(huì)檢查CPU當(dāng)前處于用戶模式還是特權(quán)模式，訪問(wèn)內(nèi)存的目的是讀數(shù)據(jù)、寫(xiě)數(shù)據(jù)還是取指令執(zhí)行，如果與操作系統(tǒng)設(shè)定的權(quán)限相符，則允許訪問(wèn)，把VA轉(zhuǎn)換成PA，否則不允許執(zhí)行，產(chǎn)生異常（Exception）。

在正常情況下處理器在用戶模式執(zhí)行用戶程序，在中斷或異常情況下處理器切換到特權(quán)模式執(zhí)行內(nèi)核程序，處理完中斷或異常之后再返回用戶模式繼續(xù)執(zhí)行用戶程序。

段錯(cuò)誤我們已經(jīng)遇到過(guò)很多次了，它是這樣產(chǎn)生的：

1. 用戶程序要訪問(wèn)的一個(gè)虛擬機(jī)地址，經(jīng)MMU檢查無(wú)權(quán)訪問(wèn)。

2. MMU產(chǎn)生一個(gè)異常，CPU從用戶模式切換到特權(quán)模式，跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核代碼中執(zhí)行異常服務(wù)程序。

3. 內(nèi)核把這個(gè)異常解釋為段錯(cuò)誤，把引發(fā)異常的進(jìn)程終止掉。

用戶空間與內(nèi)核通信方式有哪些？

1)系統(tǒng)調(diào)用。用戶空間進(jìn)程通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入內(nèi)核空間，訪問(wèn)指定的內(nèi)核空間數(shù)據(jù)；

2)共享映射區(qū)mmap。在代碼中調(diào)用接口，實(shí)現(xiàn)內(nèi)核空間與用戶空間的地址映射，在實(shí)時(shí)性要求很高的項(xiàng)目中為首選，省去拷貝數(shù)據(jù)的時(shí)間等資源，但缺點(diǎn)是不好控制；

3)驅(qū)動(dòng)程序。用戶空間進(jìn)程可以使用封裝后的系統(tǒng)調(diào)用接口訪問(wèn)驅(qū)動(dòng)設(shè)備節(jié)點(diǎn)，以和運(yùn)行在內(nèi)核空間的驅(qū)動(dòng)程序通信；

4)copy_to_user()、copy_from_user()，是在驅(qū)動(dòng)程序中調(diào)用接口，實(shí)現(xiàn)用戶空間與內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)拷貝操作，應(yīng)用于實(shí)時(shí)性要求不高的項(xiàng)目中。