關(guān)于虛擬內(nèi)核和物理內(nèi)存的那些事

一、讓有意義的事情變的有意思

二、物理內(nèi)存、虛擬內(nèi)存

三、Linux 中的換頁機(jī)制

一、讓有意義的事情變的有意思昨天，看到下面這句話，送給您：

讓有意思的事情變的有意義，讓有意義的事情變的有意思！

不敢說這是一句人生哲學(xué)，但是我們可以從這句話中找到我們做一件事情時(shí)的導(dǎo)向。

比如：在學(xué)習(xí) Linux 操作系統(tǒng)的過程中，很多枯燥無味的知識(shí)點(diǎn)，都是不好玩、沒有意思的事情。

但是為什么我們還要逼著自己，靜下心來啃那些大部頭書籍呢？因?yàn)檫@件事情有意義！

所以啊，如果能夠在這件有意義的事情上，再變得更有意思，那就可以調(diào)動(dòng)我們潛在的很多積極性。

這篇文章，我們用簡單、輕松的方式，來聊一下老生常談的虛擬內(nèi)核和物理內(nèi)存的那些事。

二、物理內(nèi)存、虛擬內(nèi)存1. 從 x86 硬件角度看

在 x86 平臺(tái)上，主存儲(chǔ)器（也就是我們說說的內(nèi)存）負(fù)責(zé)存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)，它的作用僅次于 CPU。

離開了內(nèi)存，性能再好的 CPU 也無法工作。

就像人類的大腦一樣，如果沒有了記憶功能，再怎么聰明都無法施展。

內(nèi)存被劃分為若干個(gè)存儲(chǔ)單元，從 0 開始編號(hào)，一直到最大的那個(gè)存儲(chǔ)單元。

CPU 通過地址總線來定位一個(gè)內(nèi)存的空間，通過數(shù)據(jù)總線從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)、或者向內(nèi)存中寫入數(shù)據(jù)。

我們都知道，同一個(gè) x86 平臺(tái)的硬件，既可以安裝 Windows 操作系統(tǒng)，也可以安裝 Linux 操作系統(tǒng)。

也就是說，在生產(chǎn)硬件的時(shí)候，它并不知道： 在自己的硬件之上，將會(huì)運(yùn)行什么樣的程序。

也許會(huì)有高手直接寫一個(gè)牛逼的程序，直接來管理各種硬件資源、實(shí)現(xiàn)自己特定的功能呢??？

不管如何，x86 平臺(tái)處理器架構(gòu)定義了自己的一套規(guī)則來訪問內(nèi)存。

因此，從 x86 平臺(tái)硬件角度看，只有（物理）內(nèi)存這個(gè)東西，它壓根不知道什么是虛擬內(nèi)存。

2. 從操作系統(tǒng)的角度看

操作系統(tǒng)最重要的功能就是：向應(yīng)用程序屏蔽了各種硬件資源，提供更加友好的接口，讓程序開發(fā)變得更容易。

所以，操作系統(tǒng)會(huì)充分利用硬件的各種運(yùn)行機(jī)制，然后進(jìn)行抽象、包裝，面向應(yīng)用程序開發(fā)者提供一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)境。

那么對(duì)于內(nèi)存來說，操作系統(tǒng)向下對(duì)物理內(nèi)存進(jìn)行管理，向上對(duì)應(yīng)用程序提供虛擬內(nèi)存。

虛擬內(nèi)存，就是操作系統(tǒng)在應(yīng)用程序與物理內(nèi)存之間加入的一層抽象，加入這個(gè)抽象層之后，有很多的好處。

3. 從應(yīng)用程序開發(fā)者的角度看

在很久以前，各種單片機(jī)、嵌入式 MCU 上，編寫應(yīng)用程序的時(shí)候，經(jīng)常會(huì)面對(duì)內(nèi)存很緊張的情況，這是就要很好的來優(yōu)化自己的程序，利用有限的硬件資源來實(shí)現(xiàn)一些功能。

（突然想起多年之前的以為老工程師對(duì)我說，面對(duì)那么有限的一點(diǎn)資源，都會(huì)想哭?。?/p>

隨著硬件的快速發(fā)展，這種硬件資源緊張的情況好像很少遇到了，給我們的感覺是：內(nèi)存我可以隨便用，想要多少就 malloc 多少。

當(dāng)然了，操作系統(tǒng)會(huì)給出一些限制的，這只是操作系統(tǒng)層面的限制，因?yàn)樗凶约旱目剂恳蛩亍?/p>

當(dāng)應(yīng)用程序提出申請(qǐng)一塊內(nèi)存空間時(shí)，操作系統(tǒng)為了滿足應(yīng)用程序的需求，就會(huì)從虛擬內(nèi)存中“劃分”出一塊空間，然后把這個(gè)空間的開始地址返回給應(yīng)用程序。

因此，從應(yīng)用程序開發(fā)的角度看，我們并不關(guān)心物理內(nèi)存、虛擬內(nèi)存。

只要我 malloc 了，操作系統(tǒng)給我一個(gè)足夠的空間就行！至于這個(gè)空間是從哪里分配的，I don‘t care！

也就是說，應(yīng)用程序是面向虛擬內(nèi)存編寫的，而不是面向物理內(nèi)存編寫的。

當(dāng)然了，最終存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的肯定是物理內(nèi)存，至于虛擬內(nèi)存如何與物理內(nèi)存建立對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系，這就是由操作系統(tǒng)操心的事情了。

每個(gè)應(yīng)用程序只能看到自己的虛擬內(nèi)存空間，這是一塊連續(xù)的空間，從而保證了不同應(yīng)用程序之間的隔離，達(dá)到安全目的。

三、Linux 中的換頁機(jī)制如今，我們?nèi)€一臺(tái) PC 機(jī)，內(nèi)存條最少都是 8G、16G吧！但是在多年之前，這是非常、非常奢侈的一件事情，主要還是價(jià)格的因素。

我記得自己在做畢業(yè)設(shè)計(jì)的時(shí)候，為了保存代碼，去南京珠江路買了一個(gè) U 盤，64G，好像是 70 塊錢。

相比內(nèi)存來說，硬盤的價(jià)格就便宜多了！

因此，Linux 操作系統(tǒng)就充分利用硬盤來糊弄應(yīng)用程序，讓應(yīng)用程序覺得有永遠(yuǎn)也用不完的內(nèi)存資源。

在一個(gè) 32 位的系統(tǒng)中，應(yīng)用程序可以訪問的最大內(nèi)存空間是 2 的 32 次方，也就是 4 GB，即使此時(shí)實(shí)際的物理內(nèi)存并沒有這么大。

其實(shí)這就類似于一家旅館，假如有一個(gè)老板，開了一家旅館，一共有 1000 個(gè)房間。

同時(shí)，老板還有一個(gè)空間更大的倉庫，倉庫里可以放 10000 個(gè)床鋪。這個(gè)老板很聰明，他明白 2 個(gè)事實(shí)情況：

旅行團(tuán)或顧客只能看到這個(gè)旅館的門頭和大廳，并不知道旅館里面的房間布局；

旅行團(tuán)并不會(huì)在同一時(shí)刻、扎堆的同時(shí)來住宿；

因此老板在對(duì)外宣傳的時(shí)候，就說：我的旅館很大，有 10000 個(gè)房間，歡迎前來入??！

為了簡化問題，我們假設(shè)每個(gè)旅行團(tuán)有 100 人。

在某個(gè)時(shí)間，當(dāng)有第一批的 3 個(gè)旅行團(tuán)入住的時(shí)候，老板覺得房間足夠，于是把這 300 人都安排在旅館的房間中。

過了一會(huì)，又來了第二批 4 個(gè)旅行團(tuán)，此時(shí)總的住宿人數(shù)變成了 700 人。

老板開始計(jì)算：一共就 1000 個(gè)房間，現(xiàn)在消耗掉 700 個(gè)了，還剩 300 個(gè)，還能撐一會(huì)。

沒多久，第三批顧客上門了，這回是 5 個(gè)旅行團(tuán)的人數(shù)：500 人 。因?yàn)槔习逍麄髡f：有 10000 個(gè)房間，充足的很。

老板在面對(duì)這新的 500 個(gè)人時(shí)，只見他從容的把第一批和第二批的 700 個(gè)人，從房間中轉(zhuǎn)移到倉庫。

我們假設(shè)顧客都處于睡眠狀態(tài)，僅僅需要一張床而已，不需要消耗其他的資源。

然后把這新的 500 人，安排在房間中入住。

此時(shí)，一共入住了 300 + 400 + 500 = 1200 人，雖然旅館只有 1000 個(gè)房間，但是通過借用倉庫去暫時(shí)存放處于睡眠狀態(tài)的顧客，此時(shí)旅館中還剩下 500 個(gè)空閑的房間。

還可以繼續(xù)接待客人。。

當(dāng)?shù)搅?第一批的 3 個(gè)旅行團(tuán)退房的時(shí)間時(shí)，老板再把這 300 人從倉庫中 偷偷地轉(zhuǎn)移到旅館的房間中。這些客人醒來一看，還是我入睡時(shí)的那個(gè)環(huán)境，很好很好。。。

以上這個(gè)過程，就非常類似 Linux 系統(tǒng)中虛擬內(nèi)存的換頁方式：

虛擬內(nèi)存 = 對(duì)外宣傳的 10000 個(gè)房間；

物理內(nèi)存 = 實(shí)際的 1000 個(gè)房間;

硬盤 = 只有床鋪的倉庫。

當(dāng)物理內(nèi)存不夠的時(shí)候，操作系統(tǒng)把一些物理內(nèi)存頁的內(nèi)存暫時(shí)存儲(chǔ)到空間更大、價(jià)格更便宜的硬盤上，然后就可以回收這些物理內(nèi)存繼續(xù)使用了。

怎么樣，通過這樣的類比方式，是不是對(duì) Linux 系統(tǒng)中的虛擬內(nèi)存有更加感性的認(rèn)識(shí)？

最后，再向你安利一下文章開頭的那句話：

當(dāng)你面對(duì)一件有意義、但是沒意思的事情時(shí)，不妨考慮給它加點(diǎn)意思；而當(dāng)你面對(duì)有意思、但是沒意義的事情時(shí)，也可以給它賦予一些意義！

原文標(biāo)題：Linux系統(tǒng)是如何用虛擬內(nèi)存來欺騙應(yīng)用程序的？

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