linux内核内存虚拟地址映射物理地址

Posted 2021-12-19 一口Linux

先说明下什么是虚拟地址。

Linux 内核给每个进程都提供了一个独立的虚拟地址空间，并且这个地址空间是连续的。虚拟地址空间的内部又被分为内核空间和用户空间两部分。不同字长（也就是单个 CPU 指令可以处理数据的最大长度）的处理器，地址空间的范围也不同。

其中，所有进程的内核空间，关联的都是相同的物理内存。进程切换到内核态后，才可以访问内核空间内存。我们下面说到的分段只针对用户空间。

有两种方式管理虚拟地址与物理地址之间的关系。

1、段式管理（Segment）：由段选择子和段内偏移量找到物理地址。

用户空间从低地址到高地址分别是五种不同的内存段。

• 代码段（只读段），包括代码和常量等。
• 数据段，包括全局变量等。
• 堆，包括动态分配的内存，从低地址开始向上增长。
• 文件映射段，包括动态库、共享内存等，从高地址开始向下增长。（本图没有画出）
• 栈，包括局部变量和函数调用的上下文等。栈的大小是固定的，一般是 8 MB。

分段容易出现碎片，内存交换效率低（不容易换出到磁盘）的问题。为了解决这两个问题，就出现了内存分页。

2、页式管理（Paging）：虚拟地址分为两部分，页号和页内偏移。

MMU 规定了一个内存映射的最小单位，也就是页，通常是 4 KB 大小。为了解决页表项过多的问题，有多级页表和大页两种方式。

并不是给进程的所有的虚拟内存都会分配物理内存，只有那些实际使用的虚拟内存才分配物理内存。这叫程序的局部性原理。根据此原理，为了提高访问速度，MMU（Memory Manage Unit）里配有一个硬件：TLB（Translation Lookaside Buffer）。用于缓存进程常用页表。

内存分段和内存分页并不是对立的，他们组合起来使用，通常称为段页式内存管理。

• 程序所使用的地址，称为逻辑地址；
• 通过段式内存管理映射的地址，称为虚拟地址（线性地址）；
• 通过页式内存管理将线性地址映射成物理地址。