物理虚拟内存
物理虚拟内存
有网友问到小编物理虚拟内存是什么，那么物理虚拟内存到底是什么呢？学习啦小编为大家介绍下。供大家参考!
物理虚拟内存
前一段时间在面试总监的时候，总监问了我这样的一个问题：你跟我说说物理内存和虚拟内存到底是怎么一回事?
其实之前我看过这个问题，据我理解的，当时是这么回答的“进程在运行的时候，操作系统都为其分配一个4GB的地址空间，即所谓的虚拟地址空间，一般情况下，当我们的程序很大的时候，实际的物理内存根本不能满足我们的需求的时候，这个时候操作系统就会借助磁盘空间来做虚拟的内存空间，把当前进程不需要的数据放在磁盘上，等到用到的时候，在利用调度算法把所需要的数据从磁盘空间上调度到内存，虚拟内存就是为了扩大内存的容量，每当我们要运行一个程序的时候经过编译以后形成的仅仅是逻辑上的空间，根本不是可以直接运行的内存空间，所以它还存在一个地址映射的概念。”当时感觉回答的很是笼统，只见总监在最后说了一句，你下去还是把这一块的内容在好好看看，所以今天就好好的把这个概念理一理。
首先我从最基本的概念说起，什么是物理内存的概念，虚拟内存的概念?
物理内存，在应用中，自然是顾名思义，物理上，真实的插在板子上的内存是多大就是多大了。而在CPU中的概念，物理内存就是CPU的地址线可以直接进行寻址的内存空间大小。比如8086只有20根地址线，那么它的寻址空间就是1MB，我们就说8086能支持1MB的物理内存，及时我们安装了128M的内存条在板子上，我们也只能说8086拥有1MB的物理内存空间。同理我们现在大部分使用的是32位的机子，32位的386以上CPU就可以支持最大4GB的物理内存空间了。
先说说为什么会有虚拟内存和物理内存的区别。正在运行的一个进程，他所需的内存是有可能大于内存条容量之和的，比如你的内存条是256M，你的程序却要创建一个2G的数据区，那么不是所有数据都能一起加载到内存(物理内存)中，势必有一部分数据要放到其他介质中(比如硬盘)，待进程需要访问那部分数据时，在通过调度进入物理内存。所以，虚拟内存是进程运行时所有内存空间的总和，并且可能有一部分不在物理内存中，而物理内存就是我们平时所了解的内存条。有的地方呢，也叫这个虚拟内存为内存交换区。关键的是不要把虚拟内存跟真实的插在主板上的内存条相挂钩，虚拟内存它是“虚拟的”不存在，假的啦，它只是内存管理的一种抽象!
那么，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步骤。
现在来回答什么是虚拟内存地址和物理内存地址。虚拟内存地址由页号(与页表中的页号关联)和偏移量组成。页号就不必解释了，上面已经说了，页号对应的映射到一个页帧。那么，说说偏移量。偏移量就是我上面说的页(或者页帧)的大小，即这个页(或者页帧)到底能存多少数据。举个例子，有一个虚拟地址它的页号是4，偏移量是20，那么他的寻址过程是这样的：首先到页表中找到页号4对应的页帧号(比如为8)，如果页不在内存中，则用失效机制调入页，否则把页帧号和偏移量传给MMU(CPU的内存管理单元)组成一个物理上真正存在的地址，接着就是访问物理内存中的数据了。总结起来说，虚拟内存地址的大小是与地址总线位数相关，物理内存地址的大小跟物理内存条的容量相关。
第一层理解
1. 每个进程都有自己独立的4G内存空间，各个进程的内存空间具有类似的结构
2. 一个新进程建立的时候，将会建立起自己的内存空间，此进程的数据，代码等从磁盘拷贝到自己的进程空间，哪些数据在哪里，都由进程控制表中的task_struct记录，task_struct中记录中一条链表，记录中内存空间的分配情况，哪些地址有数据，哪些地址无数据，哪些可读，哪些可写，都可以通过这个链表记录
3. 每个进程已经分配的内存空间，都与对应的磁盘空间映射
问题：
计算机明明没有那么多内存(n个进程的话就需要n*4G)内存
建立一个进程，就要把磁盘上的程序文件拷贝到进程对应的内存中去，对于一个程序对应的多个进程这种情况，浪费内存!
第二层理解
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，都需要把地址翻译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
总结：
优点：
1.既然每个进程的内存空间都是一致而且固定的，所以链接器在链接可执行文件时，可以设定内存地址，而不用去管这些数据最终实际的内存地址，这是有独立内存空间的好处
2.当不同的进程使用同样的代码时，比如库文件中的代码，物理内存中可以只存储一份这样的代码，不同的进程只需要把自己的虚拟内存映射过去就可以了，节省内存
3.在程序需要分配连续的内存空间的时候，只需要在虚拟内存空间分配连续空间，而不需要实际物理内存的连续空间，可以利用碎片。
另外，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。
补充理解：
虚拟存储器涉及三个概念： 虚拟存储空间，磁盘空间，内存空间
可以认为虚拟空间都被映射到了磁盘空间中，(事实上也是按需要映射到磁盘空间上，通过mmap)，并且由页表记录映射位置，当访问到某个地址的时候，通过页表中的有效位，可以得知此数据是否在内存中，如果不是，则通过缺页异常，将磁盘对应的数据拷贝到内存中，如果没有空闲内存，则选择牺牲页面，替换其他页面。
mmap是用来建立从虚拟空间到磁盘空间的映射的，可以将一个虚拟空间地址映射到一个磁盘文件上，当不设置这个地址时，则由系统自动设置，函数返回对应的内存地址(虚拟地址)，当访问这个地址的时候，就需要把磁盘上的内容拷贝到内存了，然后就可以读或者写，最后通过manmap可以将内存上的数据换回到磁盘，也就是解除虚拟空间和内存空间的映射，这也是一种读写磁盘文件的方法，也是一种进程共享数据的方法 共享内存
接下来我们来讨论下物理内存：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。
2.物理内存管理机制
基于物理内存在内核空间中的映射原理，物理内存的管理方式也有所不同。内核中物理内存的管理机制主要有伙伴算法，slab高速缓存和vmalloc机制。其中伙伴算法和slab高速缓存都在物理内存映射区分配物理内存，而vmalloc机制则在高端内存映射区分配物理内存。
伙伴算法
伙伴算法负责大块连续物理内存的分配和释放，以页框为基本单位。该机制可以避免外部碎片。
per-CPU页框高速缓存
内核经常请求和释放单个页框，该缓存包含预先分配的页框，用于满足本地CPU发出的单一页框请求。
slab缓存
slab缓存负责小块物理内存的分配，并且它也作为高速缓存，主要针对内核中经常分配并释放的对象。
vmalloc机制
vmalloc机制使得内核通过连续的线性地址来访问非连续的物理页框，这样可以最大限度的使用高端物理内存。
3.物理内存的分配
内核发出内存申请的请求时，根据内核函数调用接口将启用不同的内存分配器。
3.1 分区页框分配器
分区页框分配器 (zoned page frame allocator) ,处理对连续页框的内存分配请求。分区页框管理器分为两大部分:前端的管理区分配器和伙伴系统，如下图：
管理区分配器负责搜索一个能满足请求页框块大小的管理区。在每个管理区中,具体的页框分配工作由伙伴系统负责。为了达到更好的系统性能,单个页框的申请工作直接通过per-CPU页框高速缓存完成。
该分配器通过几个函数和宏来请求页框,它们之间的封装关系如下图所示。
这些函数和宏将核心的分配函数__alloc_pages_nodemask()封装,形成满足不同分配需求的分配函数。其中，alloc_pages()系列函数返回物理内存首页框描述符，__get_free_pages()系列函数返回内存的线性地址。
3.2 slab分配器
slab 分配器最初是为了解决物理内存的内部碎片而提出的，它将内核中常用的数据结构看做对象。slab分配器为每一种对象建立高速缓存。内核对该对象的分配和释放均是在这块高速缓存中操作。一种对象的slab分配器结构图如下：
可以看到每种对象的高速缓存是由若干个slab组成，每个slab是由若干个页框组成的。虽然slab分配器可以分配比单个页框更小的内存块，但它所需的所有内存都是通过伙伴算法分配的。
slab高速缓存分专用缓存和通用缓存。专用缓存是对特定的对象，比如为内存描述符创建高速缓存。通用缓存则是针对一般情况，适合分配任意大小的物理内存，其接口即为kmalloc()。
3.3 非连续内存区内存的分配
内核通过vmalloc()来申请非连续的物理内存，若申请成功，该函数返回连续内存区的起始地址，否则，返回NULL。vmalloc()和kmalloc()申请的内存有所不同，kmalloc()所申请内存的线性地址与物理地址都是连续的，而vmalloc()所申请的内存线性地址连续而物理地址则是离散的，两个地址之间通过内核页表进行映射。
vmalloc()的工作方式理解起来很简单：
1).寻找一个新的连续线性地址空间;
2).依次分配一组非连续的页框;
3).为线性地址空间和非连续页框建立映射关系，即修改内核页表;
vmalloc()的内存分配原理与用户态的内存分配相似，都是通过连续的虚拟内存来访问离散的物理内存，并且虚拟地址和物理地址之间是通过页表进行连接的，通过这种方式可以有效的使用物理内存。但是应该注意的是，vmalloc()申请物理内存时是立即分配的，因为内核认为这种内存分配请求是正当而且紧急的;相反，用户态有内存请求时，内核总是尽可能的延后，毕竟用户态跟内核态不在一个特权级。
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