LINUX 关于虚拟内存、程序内存（一）前言虚拟内存2、虚拟地址到物理地址的映射

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我是靠谱客的博主欣慰星月，最近开发中收集的这篇文章主要介绍LINUX 关于虚拟内存、程序内存（一）前言虚拟内存2、虚拟地址到物理地址的映射，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

前言

这篇文章是我对虚拟内存、可执行文件的编译以及内存分布的总结，这篇文章要搞清楚以下几个问题。
1、为什么要虚拟内存；
2、虚拟地址的内存分布；
3、虚拟地址与物理地址的映射；
4、可执行文件的编译过程；
5、可执行文件内存结构；
6、可执行文件映射到虚拟内存过程。

虚拟内存

在学习操作系统之前，有过嵌入式裸机编程经验的人知道，嵌入式裸机就是直接把可执行文件烧写到内存上，用这种直接物理映射的方式。但是，当可执行文件太大，内存不够用怎么办，在嵌入式裸机程序时候，我遇到这种情况都是在删减一些工程里面的无用代码。显然操作系统需要一种方法来解决这个问题，如果是要我们自己来想象一个办法，我们理所当然会想到，内存不够，先把程序放在硬盘里面，需要用的时候在调到内存。虚拟内存就是这么操作的，当然也需要基于更多复杂的考虑。
在我的理解中，虚拟内存不光解决的内存不够用的问题，还完美的配合了进程的调度。
内存为什么会不够用，把内存弄大一点不行吗，对于32为的芯片，地址寻址最大就是4G空间，在大也没用，当然还有64位的芯片，地址寻址可以达到128T，这下够了吧。在操作系统设计的时候还没有64位芯片，而且内存也是很贵的，现在买电脑8G的内存条得几百块钱，整个1T内存条，疯了吧。而对于除了电脑的嵌入式应用来说，普遍的仍然使用的32为芯片。ARM公司64位芯片也主要是应用在手机上面。

1、LINUX虚拟地址空间布局

在这里插入图片描述一、3G的用户空间

1、保留区的大小为128M，是不可访问区。例如定义一个指针p,int*p = NULL;之后不能对p进行使用，因为p的地址为NULL，即0x0000 0000,该地址属于保留区即不可访问区。

2、.text 段存放指令,区域的大小在程序执行前已经确认，可能包含一些只读的常数变量，如字符串常量。

3、.data段存放已初始化数据段的全局变量和静态变量（static修饰的变量）。

4、.bss段存放未初始化以及初始化为0的全局变量和静态变量，在程序加载的时候由内核清0，

5、.heap即堆区，是由用户自己管理，先进先出，动态分配内存malloc、ralloc、calloc是在堆区，通过free()函数释放空间，增长方向是由低地址向高地址增长。

6、共享库：加载共享库和使用mmap共享内存。

5.stack即栈区，是由系统管理，先进后出，保存局部变量、函数形参、自动变量。增长方向是由高地址向低地址增长。

7、命令行参数：C语言中的命令行参数涉及到程序的主函数main(int argc,char *argv[])，argc表示命令行参数的个数，无需用户传递，自动确定，argv[]指向命令行传递进来的参数，其中argv[0]指向的是可执行文件的文件名。

8、环境变量：int execve(char *pathname,char *argv[],char *envp),char *envp即环境变量，它包含一个或许多应用程序所使用到的配置信息

看到这，可以思考一个问题，还是用裸机程序的思维，这个虚拟内存就相当于裸机程序的内存，每个程序就相当于裸机的可执行程序，其实还有一个虚拟处理器的概念，这个虚拟处理器说白了就是保存芯片的一些寄存器数据，称之为上下文环境。程序被系统调用变成进程，每个进程都有自己的虚拟处理器和虚拟内存，当这个进程处于被调度运行时候，虚拟处理器和虚拟内存就有一个’转正’过程，称之为上下文切换（Context Switch）。**粗糙一点可以把操作系统想象成很多个裸机程序堆叠一起，然后在通过某种方法对它们进行切换与通信。**平常用交叉编译器得到的程序就是一个裸机程序。

如果用裸机程序来考虑Linux的可执行程序，这些就体现了虚拟内存的一个优点，就是方便程序的编译器设计，每个可执行程序都是考虑在4G内存上，这样的话它们由c语言最终生成的可执行文件格式就可以都设计成一样的。

2、虚拟地址到物理地址的映射

通过前面的内容，可以了解虚拟内存是什么，但马上就会有一种不可思议的感觉（我是这么感觉的），LINUX每个进程配一个4G虚拟内存，1000个进程就配4000G，这不可能啊，虽然有4T的硬盘，但是这样肯定不科学。这就涉及到内存分页的一些知识。

直接物理寻址

在这里插入图片描述通过虚拟地址到物理地址

VM系统通过将虚拟内存分割为固定大小的虚拟页（VP），物理内存被分为相同固定大小的物理页(PP）。
虚拟页任何时候由三种页组成：

未分配的：VM系统未分配的页（或者未创建），也就不占磁盘空间
未缓存的：没有缓存的物理内存的页
已缓存的：已经缓存到物理内存的页
（虚拟内存4G的意义只是对应于32为的地址总线，并不会真的占磁盘4G空间，）
通过这个图，程序在虚拟内存上地址是连续的，但是虚拟内存映射到物理内存时，地址可以是分散的。这样的好处就是，有限的物理内存可以得到充分的利用。

2.1页表

VM系统必须能判断虚拟页每个页是否已经缓存在内存上，如果是，对于的物理地址是什么。如果不是，虚拟页存放在磁盘的那个位置，同时在内存上找到一个页（牺牲页）用来缓存这个页。这是由软硬件联合提供的，由操作系统、MMU以及一个叫页表的数据结构。
在这里插入图片描述上图展示了一个页表，页表就是页表条目(PTE)的数组，假设PTE是由一个有效位与地址组成（实际上还有其他的位）。
有效位为1：表示已缓存，地址为物理页的其实位置
有效位为0：表示未缓存，空地址表示未分配，否则地址为磁盘地址

当处理器给出虚拟地址寻址，通过查询页表来确认页命中(缓存)还是不命中（未缓存）
命中的话，直接通过MMU翻译出物理地址。
不命中就会导致缺页异常，缺页会调用内核的缺页异常程序，在内存上选择一个牺牲页来缓存未命中的页，缓存完成以后，PTE更新，再进行寻址，就会命中。

2.2虚拟内存对内存的管理与保护

对于多个进程而言
在这里插入图片描述每个进程都有虚拟内存，自然都有一个页表，这种按需页面调度和独立的虚拟地址空间结合的方法，对内存管理有着深远的影响，不仅解决的内存本身的问题，还有其他积极的作用，特别的，简化了链接与加载、代码与数据共享、应用程序内存管理。

简化链接：这个很好理解，独立的地址空间是代码映像使用相同的格式，不用管实际存放的位置；
简化加载：LINUX加载器在加载程序时候，只需要把PTE标记为未缓存的，不需要其他操作，剩下的就等实际寻址的时候调用缺页异常来进行页面加载。
简化共享：一般而言，每个进程都有自己的私有代码、数据、堆栈区。但是对于系统内核以及标准C库，如printf，是需要共享的。而不是每个进程都包涵内核与C库的副本。
简化内存分配：用malloc分配连续的虚拟地址时候，在实际内存上可以不连续。

在这里插入图片描述通过对PTE添加一些位可以起到对物理内存的保护。SUP=1是只有运行在特权模式下才能访问，用户模式只能运行SUP=0的页，还有读写的保护位
当操作异常时候，就是导致一般性故障，触发内核异常处理程序。

2.3地址翻译

单级页表
在这里插入图片描述需要知道页表的位置，进程创建时候，页表就也被创建。虚拟地址分为两部分，前面的虚拟页号用来查询页表的物理页地址，再加上后面的偏移，即可组成实际的物理地址。

多级页表
一个4G虚拟空间，每页4KB，那么需要常留页表空间是4M，程序都可能是几KB，页表就4M，这肯定不合适啊，要是进程太多，内存就只够放页表了。为此有了多级页表。
在这里插入图片描述上图的二级页表就相当于单级页表的1级页表，想个办法不让二级页表一直在内存中，一级页表中地址为空的话，相对于的二级页表部分就不存在，那就是只有一级页表常留在内存，二级页表根据实际情况进行创建。这下就是需要KB级的内存资源了。