我理解的Linux内存管理

众所周知，内存管理是Linux内核中最基础，也是相当重要的部分。理解相关原理，不管是对内存的理解，还是对大家写用户态代码都很有帮助。很多书上、很多文章都写了相关内容，但个人总觉得内容太复杂，不是太容易理解，这里想用我自己理解的简单的方式来描述，希望能有所帮助。本篇文章由圆柱模板博主原创，转载需注明！

内存的分配

    大家写代码时，应该都会分配内存，不同语言，层次不同，使用的接口不同，不管使用哪种方式，在Linux系统中，基本上都会调用到C库的malloc接口，那就从malloc分配内存开始。

malloc就是用于分配一段内存，但这里分配到的内存并非物理内存，而是虚拟内存，这里没有严格区分虚拟地址、线性地址之类的概念，只会给大家添负担，也不深入讲述物理内存和虚拟内存的概念，书上通常有大量的篇幅介绍，大家可以简单这样理解：

• 虚拟内存就是从进程的角度看，逻辑上的概念，并不实际存在；

• 物理内存就对应物理上内存条上的内存；

• 虚拟内存和物理内存有对应关系；
• 虚拟内存分配时，相应的物理内存还没有分配；

虚拟内存到物理内存的映射

   由页表来建立虚拟内存到物理内存之间的映射关系。 页表就是在内存中的一张表，可以简单看做一张hash表，记录的是虚拟地址和物理地址的对应关系，每个虚拟地址对应一个表项，通过这张表，就能将虚拟地址转换为物理地址，也就能建立虚拟内存到物理内存的映射关系了。

  页表的使用

    页表有了，那谁来用呢？不可能是应用程序自己用吧，我写代码时好像从来都没见过页表？  当然，用户看到的只是虚拟地址(虚拟内存)，其他的对用户都是透明的~  CPU中有个硬件单元，叫MMU(内存管理单元)，页表就是给MMU硬件用的，MMU使用页表进行虚拟地址到物理地址的映射。也就是说，地址映射是由硬件完成的，软件(包括操作系统内核自身)都不管关心。  都说软件不用关心了，那我们为嘛还需要讲页表？  软件只是不用页表而且，但页表的创建和维护都是由软件(操作系统内核)负责的，也就是说我们(软件)创建虚拟内存和物理内存的映射关系，然后由硬件来自动进行地址映射(转换)，我们不需要关心具体的转换过程。  前面说了，页表是在内存中，而页表是由软件创建的，那MMU如果知道页表到底在哪儿呢？  简单说，需要我们(软件)告诉它在哪儿，如何告诉？当然，写寄存器。CPU上有特别的寄存器(CR3)，向其中写入页表的地址，MMU就知道了，然后硬件自己使用即可，我们就不管了。

页表的数量问题

   看似一张页表就能完成所有的地址映射了？  当然不行，如果是这样，虚拟内存就没有什么必要存在了。  这里又涉及新概念了:进程，这是操作系统中最基础的概念，其实不“新”。  系统中，所有任务都是以进程方式运行的，每个进程都有自己的独立的虚拟地址空间，好像又说复杂了，简单说，就是每个进程都有自己的虚拟内存，独立代表，其他进程看不到自己的虚拟内存，那么就意味着，每个进程都需要独立的虚拟内存到物理内存的映射，就是说，每个进程都需要自己的页表。  所以，系统中有多少进程，就有多少张页表。

  页表创建

简单来说，讨论linux页表就是讨论linux进程的的页表：linux页表的创建与更新都包含于进程的创建与更新中。当前的linux内核采用的是写时复制方法，在创建一个linux进程时，完全复制父进程的页表，并且将父子进程的页表均置为写保护（即写地址的时候会产生缺页异常等）。那么父子进程谁向地址空间写数据时，产生缺页异常，分配新的页，并将两个页均置为可写，按照这种方式父子进程的地址空间渐渐变得不同。     按照上面的分析, 只需要讨论第一个进程页表初始化，进程创建时页表的拷贝，以及缺页异常时页表的更新即可。

 什么是缺页异常

    简单说，就是硬件上的一种机制，当硬件检测到某种“不对”时，主动触发，然后会自动跳转到异常处理程序处理。异常跟中断类似，区别在于，中断是异步的，由外设触发；异常是同步的，由CPU自己触发。

好了，时间也比较晚了，就写到这，该睡觉了，明天又得早期了！明天晚上继续写写这些理论的东西！学习需要坚持！