Linux 内存管理
Linux 操作系统采?了哪种?式来管理内存呢？
在回答这个问题前，我们得先看看 Intel 处理器的发展历史。
早期 Intel 的处理器从 80286 开始使?的是段式内存管理。但是很快发现，光有段式内存管理?没有?式内存管理是不够的，这会使它的 X86 系列会失去市场的竞争?。因此，在不久以后的 80386 中就实现了对?式内存管理。也就是说，80386 除了完成并完善从 80286 开始的段式内存管理的同时还实现了?式内存管理。
但是这个 80386 的?式内存管理设计时，没有绕开段式内存管理，?是建?在段式内存管理的基础上，这就意味着，?式内存管理的作?是在由段式内存管理所映射?成的地址上再加上?层地址映射。
由于此时由段式内存管理映射?成的地址不再是“物理地址”了，Intel 就称之为“线性地址”（也称虚拟地址）。于是，段式内存管理先将逻辑地址映射成线性地址，然后再由?式内存管理将线性地址映射成物理地址。
这?说明下逻辑地址和线性地址：
程序所使?的地址，通常是没被段式内存管理映射的地址，称为逻辑地址；
通过段式内存管理映射的地址，称为线性地址，也叫虚拟地址；
逻辑地址是「段式内存管理」转换前的地址，线性地址则是「?式内存管理」转换前的地址。
Linux 内存主要采?的是?式内存管理，但同时也不可避免地涉及了段机制。
这主要是上? Intel 处理器发展历史导致的，因为 Intel X86 CPU ?律对程序中使?的地址先进?段式映射，然后才能进??式映射。既然 CPU 的硬件结构是这样，Linux 内核也只好服从 Intel 的选择。
但是事实上，Linux 内核所采取的办法是使段式映射的过程实际上不起什么作?。也就是说，“上有政策，下有对策”，若惹不起就躲着?。
Linux 系统中的每个段都是从 0 地址开始的整个 4GB 虚拟空间（32 位环境下），也就是所有的段的起始地址都是?样的。这意味着，Linux 系统中的代码，包括操作系统本身的代码和应?程序代码，所?对的地址空间都是线性地址空间（虚拟地址），这种做法相当于屏蔽了处理器中的逻辑地址概念，段只被?于访问控制和内存保护。
Linux 的虚拟地址空间是如何分布的？
在 Linux 操作系统中，虚拟地址空间的内部?被分为内核空间和?户空间两部分，不同位数的系统，地址空间的范围也不同。?如最常?的 32 位和 64 位系统，如下所示：
通过这?可以看出：
32 位系统的内核空间占? 1G ，位于最?处，剩下的 3G 是?户空间；
64 位系统的内核空间和?户空间都是 128T ，分别占据整个内存空间的最?和最低处，剩下的中间部分是未定义的。
再来说说，内核空间与?户空间的区别：
进程在?户态时，只能访问?户空间内存；
只有进?内核态后，才可以访问内核空间的内存；
虽然每个进程都各?有独?的虚拟内存，但是每个虚拟内存中的内核地址，其实关联的都是相同的物理内存。这样，进程切换到内核态后，就可以很?便地访问内核空间内存。
接下来，进?步了解虚拟空间的划分情况，?户空间和内核空间划分的?式是不同的，内核空间的分布情况就不多说了。
我们看看?户空间分布的情况，以 32 位系统为例，我画了?张图来表示它们的关系：
过这张图你可以看到，?户空间内存，从低到?分别是 7 种不同的内存段：
程序?件段，包括?进制可执?代码；
已初始化数据段，包括静态常量；
未初始化数据段，包括未初始化的静态变量；
堆段，包括动态分配的内存，从低地址开始向上增?；
?件映射段，包括动态库、共享内存等，从低地址开始向上增?（跟硬件和内核版本有关）；
栈段，包括局部变量和函数调?的上下?等。栈的??是固定的，?般是 8 MB 。当然系统也提供了参数，以便我们?定义??；
在这 7 个内存段中，堆和?件映射段的内存是动态分配的。?如说，使? C 标准库的 malloc() 或者mmap() ，就可以分别在堆和?件映射段动态分配内存。
总结
为了在多进程环境下，使得进程之间的内存地址不受影响，相互隔离，于是操作系统就为每个进程独?分配?套虚拟地址空间，每个程序只关???的虚拟地址就可以，实际上?家的虚拟地址都是?样的，但分布到物理地址内存是不?样的。作为程序，也不?关?物理地址的事情。
每个进程都有??的虚拟空间，?物理内存只有?个，所以当启?了?量的进程，物理内存必然会很紧张，于是操作系统会通过内存交换技术，把不常使?的内存暂时存放到硬盘（换出），在需要的时候再装载回物理内存（换?）。
那既然有了虚拟地址空间，那必然要把虚拟地址「映射」到物理地址，这个事情通常由操作系统来维护。
那么对于虚拟地址与物理地址的映射关系，可以有分段和分?的?式，同时两者结合都是可以的。
内存分段是根据程序的逻辑?度，分成了栈段、堆段、数据段、代码段等，这样可以分离出不同属性的段，同时是?块连续的空间。但是每个段的??都不是统?的，这就会导致内存碎?和内存交换效率低的问题。
于是，就出现了内存分?，把虚拟空间和物理空间分成??固定的?，如在 Linux 系统中，每??的??为 4KB 。由于分了?后，就不会产?细?的内存碎?。同时在内存交换的时候，写?硬盘也就?个?或?个?，这就??提?了内存交换的效率。
再来，为了解决简单分?产?的?表过?的问题，就有了多级?表，它解决了空间上的问题，但这就会导致 CPU 在寻址的过程中，需要有很多层表参与，加?了时间上的开销。于是根据程序的局部性原理，在CPU 芯?中加?了 TLB，负责缓存最近常被访问的?表项，??提?了地址的转换速度。
Linux 系统主要采?了分?管理，但是由于 Intel 处理器的发展史，Linux 系统?法避免分段管理。于是Linux 就把所有段的基地址设为 0 ，也就意味着所有程序的地址空间都是线性地址空间（虚拟地址），相当于屏蔽了 CPU 逻辑地址的概念，所以段只被?于访问控制和内存保护。
另外，Linxu 系统中虚拟空间分布可分为?户态和内核态两部分，其中?户态的分布：代码段、全局变量、BSS、函数栈、堆内存、映射区。
学自小林coding，侵删