Linux系统是如何用虚拟内存来欺骗应用程序的？

Posted 2021-05-29 宋宝华

• 一、让有意义的事情变的有意思

• 二、物理内存、虚拟内存

• 三、Linux 中的换页机制

一、让有意义的事情变的有意思

昨天，看到下面这句话，送给您：

让有意思的事情变的有意义，让有意义的事情变的有意思！

不敢说这是一句人生哲学，但是我们可以从这句话中找到我们做一件事情时的导向。

比如：在学习 Linux 操作系统的过程中，很多枯燥无味的知识点，都是不好玩、没有意思的事情。

但是为什么我们还要逼着自己，静下心来啃那些大部头书籍呢？因为这件事情有意义！

所以啊，如果能够在这件有意义的事情上，再变得更有意思，那就可以调动我们潜在的很多积极性。

这篇文章，我们用简单、轻松的方式，来聊一下老生常谈的虚拟内核和物理内存的那些事。

二、物理内存、虚拟内存

1. 从 x86 硬件角度看

在 x86 平台上，主存储器(也就是我们说说的内存)负责存储指令和数据，它的作用仅次于 CPU。

离开了内存，性能再好的 CPU 也无法工作。

就像人类的大脑一样，如果没有了记忆功能，再怎么聪明都无法施展。

内存被划分为若干个存储单元，从 0 开始编号，一直到最大的那个存储单元。

CPU 通过地址总线来定位一个内存的空间，通过数据总线从内存中读取数据、或者向内存中写入数据。

我们都知道，同一个 x86 平台的硬件，既可以安装 Windows 操作系统，也可以安装 Linux 操作系统。

也就是说，在生产硬件的时候，它并不知道: 在自己的硬件之上，将会运行什么样的程序。

也许会有高手直接写一个牛逼的程序，直接来管理各种硬件资源、实现自己特定的功能呢！？

不管如何，x86 平台处理器架构定义了自己的一套规则来访问内存。

因此，从 x86 平台硬件角度看，只有(物理)内存这个东西，它压根不知道什么是虚拟内存。

2. 从操作系统的角度看

操作系统最重要的功能就是：向应用程序屏蔽了各种硬件资源，提供更加友好的接口，让程序开发变得更容易。

所以，操作系统会充分利用硬件的各种运行机制，然后进行抽象、包装，面向应用程序开发者提供一个稳定的环境。

那么对于内存来说，操作系统向下对物理内存进行管理，向上对应用程序提供虚拟内存。

虚拟内存，就是操作系统在应用程序与物理内存之间加入的一层抽象，加入这个抽象层之后，有很多的好处。

3. 从应用程序开发者的角度看

在很久以前，各种单片机、嵌入式 MCU 上，编写应用程序的时候，经常会面对内存很紧张的情况，这是就要很好的来优化自己的程序，利用有限的硬件资源来实现一些功能。

(突然想起多年之前的以为老工程师对我说，面对那么有限的一点资源，都会想哭！)

随着硬件的快速发展，这种硬件资源紧张的情况好像很少遇到了，给我们的感觉是：内存我可以随便用，想要多少就 malloc 多少。

当然了，操作系统会给出一些限制的，这只是操作系统层面的限制，因为它有自己的考量因素。

当应用程序提出申请一块内存空间时，操作系统为了满足应用程序的需求，就会从虚拟内存中“划分”出一块空间，然后把这个空间的开始地址返回给应用程序。

因此，从应用程序开发的角度看，我们并不关心物理内存、虚拟内存。

只要我 malloc 了，操作系统给我一个足够的空间就行！至于这个空间是从哪里分配的，I don't care!

也就是说，应用程序是面向虚拟内存编写的，而不是面向物理内存编写的。

当然了，最终存储数据的肯定是物理内存，至于虚拟内存如何与物理内存建立对应的映射关系，这就是由操作系统操心的事情了。

每个应用程序只能看到自己的虚拟内存空间，这是一块连续的空间，从而保证了不同应用程序之间的隔离，达到安全目的。

三、Linux 中的换页机制

如今，我们去攒一台 PC 机，内存条最少都是 8G、16G吧！但是在多年之前，这是非常、非常奢侈的一件事情，主要还是价格的因素。

我记得自己在做毕业设计的时候，为了保存代码，去南京珠江路买了一个 U 盘，64G，好像是 70 块钱。

相比内存来说，硬盘的价格就便宜多了！

因此，Linux 操作系统就充分利用硬盘来糊弄应用程序，让应用程序觉得有永远也用不完的内存资源。

在一个 32 位的系统中，应用程序可以访问的最大内存空间是 2 的 32 次方，也就是 4 GB，即使此时实际的物理内存并没有这么大。

其实这就类似于一家旅馆，假如有一个老板，开了一家旅馆，一共有 1000 个房间。

同时，老板还有一个空间更大的仓库，仓库里可以放 10000 个床铺。

这个老板很聪明，他明白 2 个事实情况：

1. 旅行团或顾客只能看到这个旅馆的门头和大厅，并不知道旅馆里面的房间布局；

2. 旅行团并不会在同一时刻、扎堆的同时来住宿；

因此老板在对外宣传的时候，就说：我的旅馆很大，有 10000 个房间，欢迎前来入住！

为了简化问题，我们假设每个旅行团有 100 人。

在某个时间，当有第一批的 3 个旅行团入住的时候，老板觉得房间足够，于是把这 300 人都安排在旅馆的房间中。

过了一会，又来了第二批 4 个旅行团，此时总的住宿人数变成了 700 人。

老板开始计算：一共就 1000 个房间，现在消耗掉 700 个了，还剩 300 个，还能撑一会。

没多久，第三批顾客上门了，这回是 5 个旅行团的人数：500 人 。因为老板宣传说：有 10000 个房间，充足的很。

老板在面对这新的 500 个人时，只见他从容的把第一批和第二批的 700 个人，从房间中转移到仓库。

我们假设顾客都处于睡眠状态，仅仅需要一张床而已，不需要消耗其他的资源。

然后把这新的 500 人，安排在房间中入住。

此时，一共入住了 300 + 400 + 500 =  1200 人，虽然旅馆只有 1000 个房间，但是通过借用仓库去暂时存放处于睡眠状态的顾客，此时旅馆中还剩下 500 个空闲的房间。

还可以继续接待客人。。

当到了 第一批的 3 个旅行团退房的时间时，老板再把这 300  人从仓库中 偷偷地转移到旅馆的房间中。这些客人醒来一看，还是我入睡时的那个环境，很好很好。。。

以上这个过程，就非常类似 Linux 系统中虚拟内存的换页方式：

虚拟内存 = 对外宣传的 10000 个房间； 

物理内存 = 实际的 1000 个房间;  

硬盘        = 只有床铺的仓库。 

当物理内存不够的时候，操作系统把一些物理内存页的内存暂时存储到空间更大、价格更便宜的硬盘上，然后就可以回收这些物理内存继续使用了。

怎么样，通过这样的类比方式，是不是对 Linux 系统中的虚拟内存有更加感性的认识？

最后，再向你安利一下文章开头的那句话：

当你面对一件有意义、但是没意思的事情时，不妨考虑给它加点意思；而当你面对有意思、但是没意义的事情时，也可以给它赋予一些意义！

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