内存管理-虚拟内存

虚拟地址怎么映射到物理地址？内存分段？内存分页？现代操作系统使用的是哪个？

什么是虚拟地址？

区分虚拟地址和进程的虚拟内存空间

进程的虚拟内存空间

• 代码段：用于存放进程程序二进制文件中的机器指令；
• 数据段：用于存放二进制文件中定义的已初始化的全局变量和静态变量；
• BSS段：用于存放二进制文件中定义的未初始化的全局变量和静态变量；
• 堆：用于存放程序运行中动态申请的堆；
• 文件映射与匿名映射区：用于存放动态链接库中的代码段，数据段，BSS段以及通过mmap系统调用映射的共享内存区；
• 栈：用于存放函数调用过程中的局部变量，函数参数及返回值。

内核态和用户态地址划分

32位：

• 用户态：0x0000 0000 - 0xC000 0000
• 内核态：0xC000 0000 - 0xFFFF FFFF

64位：

• 用户态：0x0000 0000 0000 0000 - 0x0000 7FFF FFFF F000
• 内核态：0xFFFF 8000 0000 0000 - 0xFFFF FFFF FFFF FFFF

对于64位详细解释：

64位机器上的寻址范围为2^64，但是在实际使用中只使用了其中的低48位来表示虚拟内存地址，多出的16位形成地址空洞。

• 如果一个虚拟内存地址高16位全部为0，则是一个用户空间的虚拟内存地址；
• 如果一个虚拟内存地址高16位全部位1，则是一个内核空间的虚拟内存地址；
• 如果一个虚拟内存地址高16即有0又有1，则是一个非法的内存地址。

为什么要用虚拟地址？

内存分段

flowchart LR
    id1[虚拟地址] --> id2[段选择因子]
    id1 --> id3[段内偏移量]
    id2 --> id4[段号]
    id2 --> id5[标志位]

段号：用作段表的索引；

段内偏移量：段基地址加上段内偏移量得到物理内存地址；

段表是什么？

分段的优缺点

内存碎片问题

如何解决内存碎片问题

内存分页

分页的优缺点

缺页异常

多级页表

如果4GB的虚拟地址全部映射到了物理内存上的话，二级页表占用空间确实更大了，但是我们往往不会为一个进程分配那么多内存。

对于不分级页表，我们也不会为一个进行分配那么多内存呀，为什么不采用不分级页表呢？

从页表的性质来看，保存在内存中的页表承担的职责是将虚拟地址翻译成物理地址。假如虚拟地址在页表中找不到对应的页表项，计算机系统就不能工作了。所以页表一定要覆盖全部虚拟地址空间，不分级的页表就需要有100多万(4MB)个页表项来映射，而二级分页则只需要1024个页表项。一级页表覆盖到了全部虚拟地址空间，二级页表在需要时创建。

TLB

段页式内存管理

内存的分段与进程的内存有什么联系？

内存的分段即：分段式管理。

虚拟空间分布中的分段即：内核态，用户态（代码段，全局变量，BSS，函数栈，堆内存，映射区）。