浅析linux内存模型

0. 内存基本知识

        我们通常称 linux的内存子系统为：虚拟内存子系统(virtual memory system)，为何这样称谓呢？

        其实这个是个很牛的设计。linux充分利用了程序的局部性原理，结合线性地址的概念（虚拟地址）使得运行于操作系统上的每个进程都可以使用所有用户空间主存。而且虚拟内存还解决了内存不连续和碎片的问题（因为在程序来说线性地址都是连续的）；每个进程都有各自的页表，虚拟地址空间都各自独立，互补干扰；

        那么我们的程序里申请的内存的时候，linux内核其实只分配一个虚拟内存（ 线性地址），并没有分配实际的物理内存。只有当程序真正使用这块内存时，才会分配物理内存。这就叫做延迟分配和请页机制。释放内存时，先释放线性区对应的物理内存，然后释放线性区；

        什么时候内核为进程划分物理内存的呢？ 当进程执行时，申请的内存只是一块虚拟内存区域，而不是实际的物理内存，只是获得了一块虚拟内存区域上线性地址区间的使用权。实际的物理内存只有当进程真的去访问新获得的虚拟地址时，才会由"请页机制"产生"缺页"异常，从而进入分配实际页框的例程。此异常会告诉内核去真正为进程分配物理页，并建立对应的页表。这之后虚拟地址才实实在在的映射到了物理内存上了。"请页机制"将物理内存的分配延后了，这样是充分利用了程序的局部性原来，节约内存空间，提高系统吞吐；

        那么cpu执行指令访存，使用的都是物理内存地址，而我们的编译器生成的二进制码实际上分配的都是逻辑内存（逻辑地址）；那么线性地址是如何转换为物理内存地址的呢？我们知道内存模型里有，段，页机制来寻址内存的；（物理内存也是划分为页为单位划分的） ；我们的程序主要分为数据段，代码段；数据段存放代码里已初始化数据，代码段存放可执行代码指令；linux通过段机制将我们程序的逻辑地址转换为线性地址，又通过页机制将线性地址转换为物理地址。

 

1. 内存布局

     我们编写的程序是如何在内存中布局的呢？

     我们知道Linux内核启动起来时，如果是4G内存，那么会有大约1G被内核占用。其他3G会被用户进行使用。我们稍后会讲解内核内存如何和用户内存通信。

     一个进程对应的内存空间包含一下5个区：

     代码段 ：存放可执行文件的操作指令；

      数据段： 存放可执行文件申请已经初始化的全局变量；

     BSS段:   存放未初始化的全局变量；

     堆：       存放用户程序运行中，动态申请的内存空间；

     栈：       存放用户程序运行中，临时创建的局部变量；我们知道CPU有寄存器是直接可以访问栈的，所以栈比堆快多了。

 

    那么既然每个进程都有各自的虚拟内存空间，各自互不相干，那么进程间如何共享内存，内核又是如何向进程空间传递数据？  都是通过映射实现的，通过将内核的虚拟内存映射到当前进程用户空间的虚拟内存，当然映射时，要新建一个页表；  

2. 虚拟内存管理

    简单的说linux的虚拟内存管理技术：让每个进程看上去可以使用整个用户空间主存。通过 线性地址加上swap机制； swap机制：如果一个正在被cpu执行的进程恰巧和另外一个进程的线性地址指向了同一块物理内存。那么Linux通过swap机制，将这块内存写到磁盘上，叫做唤出。被唤出的数据，在使用时，又被换入；

    linux还通过cache+buffer机制： 将最近使用过的数据尽量cache,buffer起来，以便稍后会使用到；这就是说我们的可用内存=free + buffer + cache;