虛擬內存、物理內存

我們知道操作系統中內存可以分為虛擬內存、物理內存和共享內存，以L(fǎng)inux系統為例，使用free -m命令查看當前系統內存使用情況：

上圖中的total表示系統總共物理內存大小，used、free分別表示已使用、未使用的物理內存，buff表示寫(xiě)緩存，cache表示讀緩存。寫(xiě)緩存就是將將要寫(xiě)的數據寫(xiě)到頁(yè)緩存而不是直接寫(xiě)到磁盤(pán)，這樣做的好處是防止進(jìn)程對頁(yè)緩存中的數據再次修改。讀緩存表示內核在讀文件時(shí)，首先在已有的頁(yè)緩存中查找所讀取的數據是否已經(jīng)存在。如果該頁(yè)緩存不存在，則一個(gè)新的頁(yè)將被添加到告訴緩存中，然后用從磁盤(pán)中讀取到的數據填充它。如果當前物理內存足夠空閑，那么該頁(yè)將長(cháng)期保留在高速緩存中，使得其他進(jìn)程再使用該頁(yè)中的數據時(shí)不再訪(fǎng)問(wèn)磁盤(pán)。

而如果想查看每個(gè)進(jìn)程的內存使用情況則可以通過(guò)top命令查看：

其中，VIRT、RES、SHR分別表示進(jìn)程使用的虛擬內存、物理內存和共享內存。我們知道物理內存大小是固定的，比如說(shuō)某臺筆記本物理內存是4g，但是可以運行大于4g的游戲軟件，操作系統是如何做到的呢？答案是虛擬內存。虛擬內存就是對主存和I/O設備的抽象，也就是說(shuō)它將物理內存存放不了的內容，存放到I/O設備上，如下圖所示。同時(shí)，虛擬內存為每個(gè)進(jìn)程提供了一個(gè)一致的地址空間，比如說(shuō)32位計算機，每個(gè)進(jìn)程的地址范圍是[0,4G]（0x00000000 ~ 0xbfffffff分配給用戶(hù)態(tài)，而0xc0000000 ~ 0xffffffff分配給核心態(tài)）。此外，虛擬內存保護每個(gè)進(jìn)程的地址空間不被其他進(jìn)程破壞。

要實(shí)現虛擬內存和物理內存，以及它們之間的映射，需要通過(guò)物理地址、虛擬地址和分頁(yè)、分段等機制實(shí)現，相關(guān)內容在后續給出。

共享內存

共享內存就是兩個(gè)或更多進(jìn)程訪(fǎng)問(wèn)同一塊物理內存，當一個(gè)進(jìn)程改變了這塊地址中的內容的時(shí)候，其它進(jìn)程都獲取相應的變更信息。在Linux系統中通過(guò)mmap內存共享映射、XSI共享內存和POSIX共享內存三種內存共享方式。為了幫助大家理解，我詳細介紹下mmap內存共享這種方式。

從圖中可知，每個(gè)進(jìn)程描述符（task_struct）有一個(gè)內存管理屬性（mm，memory manage）指向mm_struct結構體，而mmap就是該結構體中一個(gè)屬性，mmap通過(guò)指向一個(gè)vm_area_struct(區域結構)的鏈表來(lái)控制數據的起始地址，從而實(shí)現直接使用內存地址對文件進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。

分頁(yè)、分段、段頁(yè)結合

在介紹完虛擬內存、物理內存和共享內存大致情況之后，我們來(lái)看下虛擬內存和物理內存在操作系統層面是如何實(shí)現。首先看下物理地址和邏輯地址。

• 物理地址和邏輯地址

當未引入邏輯地址之前，如果多個(gè)程序同時(shí)對同一個(gè)物理地址進(jìn)行操作就會(huì )沖突，為了解決這種問(wèn)題我們才引入邏輯地址。同時(shí)，由于程序最后調用的是物理地址，因此邏輯地址和物理地址之間就存在某種映射關(guān)系，這種映射通過(guò)一個(gè)硬件設備MMU（內存管理單元）實(shí)現，它包含一個(gè)基址寄存器，存儲每個(gè)程序的開(kāi)始地址。為了幫助大家理解，舉個(gè)簡(jiǎn)單例子，假設程序1的基址寄存器是1000，偏移量是200，那么，它的物理地址就是1200。

• 分頁(yè)

通過(guò)邏輯地址我們解決了地址沖突問(wèn)題，但是依然存在一個(gè)問(wèn)題：對于進(jìn)程來(lái)說(shuō)，它是獨占虛擬內存空間的，比如說(shuō)32位計算機，它的地址范圍是[0,4G]，但是大于4G的程序卻無(wú)法運行。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們想出了將部分數據加載到內存中，而不是一次性加載全部數據，其中數據的最小單位是頁(yè)（Page），這也是分頁(yè)技術(shù)名字由來(lái)，它的理論基礎是局部性原理：空間局部性和時(shí)間局部性。

分頁(yè)技術(shù)強調每次加載部分數據到內存中，同時(shí)，我們將虛擬內存和物理內存按照頁(yè)進(jìn)行劃分，通過(guò)頁(yè)表是維護虛擬頁(yè)和物理頁(yè)的映射關(guān)系，需要注意的是每個(gè)進(jìn)程維護一張頁(yè)表。當頁(yè)表中的虛擬頁(yè)對應的物理頁(yè)是空白時(shí)，操作系統會(huì )發(fā)生缺頁(yè)中斷。

分頁(yè)具體流程。以CPU執行MOV (0x560) EAX為例，CPU內部會(huì )將邏輯地址進(jìn)行拆分成頁(yè)號和偏移量，然后將邏輯地址轉換成物理地址。

• 分段

我們知道分頁(yè)對于用戶(hù)來(lái)說(shuō)是沒(méi)什么邏輯意義的，分頁(yè)是為了完成離散存儲，所有的頁(yè)面大小都一樣。為了讓用戶(hù)更好的理解程序，我們又提出了分段概念，它將程序劃分為若干段部分，也就是說(shuō)分段大小是不固定的，而且每一個(gè)分段都有獨立的功能，例如：代碼段，數據段，棧，堆等。通過(guò)分段技術(shù)，我們把內存空間分成一個(gè)個(gè)可以自治的段，而且把內存從一維空間變成了一個(gè)二維空間。此時(shí)虛擬地址有段號和偏移量組成。

• 段頁(yè)結合

分段技術(shù)的段長(cháng)可以根據需要動(dòng)態(tài)改變，而且便于用戶(hù)理解，但是物理內存分配比較麻煩，基于此，我們提出了段頁(yè)結合，也就是說(shuō)對于邏輯地址我們采用分段管理，而物理地址我們采用分頁(yè)機制。它的流程大致如下：首先根據段表信息，將邏輯地址轉換成另一個(gè)邏輯地址，在轉換的過(guò)程中會(huì )判斷偏移量是否超過(guò)指定長(cháng)度，如果沒(méi)有超過(guò)，則根據頁(yè)表將邏輯地址轉換成物理地址。

頁(yè)面置換算法

當訪(fǎng)問(wèn)的頁(yè)不在內存中時(shí)就會(huì )發(fā)生缺頁(yè)中斷，此時(shí)就需要進(jìn)行頁(yè)面置換。目前常見(jiàn)的置換算法有FIFO、LRU和Clock算法。

• FIFO（先進(jìn)先出）

先進(jìn)先出算法思想很簡(jiǎn)單，當內存滿(mǎn)了，優(yōu)先置換出最先進(jìn)入內存的頁(yè)面。但是它存在一個(gè)問(wèn)題：經(jīng)常被訪(fǎng)問(wèn)的數據有可能被換入換出，下面我就舉個(gè)簡(jiǎn)單的栗子。假設只有3個(gè)物理頁(yè)面，邏輯頁(yè)面的訪(fǎng)問(wèn)次序是： 7 0 1 2 0 3 0 4。

• LRU（最近最少使用）

LRU算法就是所有頁(yè)用棧組成，當棧滿(mǎn)了，且新增加元素沒(méi)有命中，則將棧底元素淘汰，新增元素放到棧頂；當棧滿(mǎn)了，且新增元素命中，則只需要將新增元素移動(dòng)到棧頂位置即可。假設只有3個(gè)物理頁(yè)面，邏輯頁(yè)面的訪(fǎng)問(wèn)次序是： 7 0 1 2 0 3 0 4。

• Clock算法

Clock算法是LRU算法的近似實(shí)現，它為每個(gè)頁(yè)加一個(gè)引用位，默認值為0，無(wú)論讀還是寫(xiě)，都置為1，它把所有的頁(yè)組成一個(gè)循環(huán)隊列，選擇淘汰頁(yè)的時(shí)候，掃描引用位，如果是1則改成0（相當于再給該頁(yè)面一次存活的機會(huì )），并掃描下一個(gè)；如果該引用位是0，則淘汰該頁(yè)，換入新的頁(yè)面。假設只有3個(gè)物理頁(yè)面，邏輯頁(yè)面的訪(fǎng)問(wèn)次序是： 3 4 2 6。