linux 进程的虚拟内存

不念不忘少年蓝@ 2022-04-08 12:54 275阅读 0赞

当我们创建一个进程时，我们知道进程有以下特点：

1.  每个进程都有自己独立的 4G 内存空间，各个进程的内存空间具有类似的结构
2.  一个新进程建立的时候，将会建立起自己的内存空间，此进程的数据、代码等从磁盘拷贝到自己的进程空间，哪些数据在哪里，都由进程控制表中的 task\_struct 记录，task\_struct 中记录中一条链表，记录中内存空间的分配情况，哪些地址有数据，哪些地址无数据，哪些可读，哪些可写，都可以通过这个链表记录
3.  每个进程已经分配的内存空间，都与对应的磁盘空间映射

那么问题来了：

1.  计算机明明没有那么多内存（n 个进程的话就需要 n\*4G）内存
2.  建立一个进程，就要把磁盘上的程序文件拷贝到进程对应的内存中去，对于一个程序对应的多个进程这种情况，浪费内存！

所以，实际上：

1.  每个进程的 4G 内存空间只是**虚拟内存空间**，每次访问内存空间的某个地址，都需要把地址翻译为实际物理内存地址
2.  所有进程共享同一物理内存，每个进程只把自己**目前需要的**虚拟内存空间映射并存储到物理内存上。
3.  进程要知道哪些内存地址上的数据在物理内存上，哪些不在，还有在物理内存上的哪里，需要用页表来记录
4.  页表的每一个表项分两部分，第一部分记录此页是否在物理内存上，第二部分记录物理内存页的地址（如果在的话）
5.  当进程访问某个虚拟地址，去看页表，如果发现对应的数据不在物理内存中，则缺页异常
6.  缺页异常的处理过程，就是把进程需要的数据从磁盘上拷贝到物理内存中，如果内存已经满了，没有空地方了，那就找一个页覆盖，当然如果被覆盖的页曾经被修改过，需要将此页写回磁盘

页表工作原理及映射关系理解图如下：  
![image][]

可以认为虚拟空间都被映射到了磁盘空间中，并且由页表记录映射位置，当访问到某个地址的时候，通过页表中的有效位，可以得知此数据是否在内存中，如果不是，则通过缺页异常，将磁盘对应的数据拷贝到内存中，如果没有空闲内存，则选择牺牲页面，替换其他页面。

优点总结：

1.  既然每个进程的内存空间都是一致而且固定的，所以链接器在链接可执行文件时，可以设定内存地址，而不用去管这些数据最终实际的内存地址，这是有独立内存空间的好处
2.  当不同的进程使用同样的代码时，比如库文件中的代码，物理内存中可以只存储一份这样的代码，不同的进程只需要把自己的虚拟内存映射过去就可以了，节省内存
3.  在程序需要分配连续的内存空间的时候，只需要在虚拟内存空间分配连续空间，而不需要实际物理内存的连续空间，可以利用碎片。

> 事实上，在每个进程创建加载时，内核只是为进程 “创建” 了虚拟内存的布局，具体就是初始化进程控制表中内存相关的链表，实际上并不立即就把虚拟内存对应位置的程序数据和代码（比如.text .data段）拷贝到物理内存中，只是建立好虚拟内存和磁盘文件之间的映射就好（叫做存储器映射），等到运行到对应的程序时，才会通过缺页异常，来拷贝数据。还有进程运行过程中，要动态分配内存，比如 malloc 时，也只是分配了虚拟内存，即为这块虚拟内存对应的页表项做相应设置，当进程真正访问到此数据时，才引发缺页异常。

[image]: /images/20220405/65fea19d68cc4491b2720f746b4b282c.png