linux 内存管理浅析（二）

上讲中，讲解了linux的物理内存管理，这讲进行虚拟内存管理的讲解。
       我们程序猿们经常讲“我new（malloc）了多少内存”，实际上我们使用的new（malloc）申请的内存是“虚拟内存”，更确切的说，我们程序猿（app程序猿，不是写内核的）所能操控的都是“虚拟内存”。
       什么是“虚拟内存”？就是这个“内存”不是指真正内存条的，而是操作系统给你开的一个空头支票。尼玛？这是怎么回事？是不是有点晕？没事，我给大家举个例子。
       假设有个银行，银行只有1000w，谁需要钱就向银行借，后续只需还本金不用还利息（现实中要有这么好就好了）。假设每个人一生下来，银行就给他开个1000w的支票且不能直接使用支票，但银行并不会马上给他1000w，等到他用钱的时候，银行就给他实际需要的数目，如果银行暂时没有那么多，就让他等等。但是一般人都不会一次性需要那么多钱，这样基本上每个人取钱的时候，银行一般都会满足，让每个人感觉他都有1000w可用。
       操作系统就好像上面例子中的银行，物理内存就好像钱，虚拟内存就是银行开出的支票。当我们app启动时，操作系统就分给它4G虚拟内存（32位），等到app实际需要内存时，操作系统才分配真正的物理内存给它，这样每个app都感觉它拥有4G内存。
       为什么要有虚拟内存呢？
       我的理解是：方便管理，安全。
       如果每个app直接去操作物理内存，由于只有一块物理内存，那每个程序起始的物理地址就不一样，比较麻烦，有了虚拟内存，大家的起始地址都一样，方便管理；再就是安全，有了虚拟内存，app只能操作虚拟内存，物理内存由内核统一安排，这样不至于某个app出了问题，把别的app的内存数据给覆盖，影响另一个app。
        现在应该看看虚拟内存的地址空间了（32位的）：

        虚拟地址空间总体上分为两大部分：内核空间（1G）和用户空间（3G）。我们的app能操作的虚拟地址就是用户空间部分。
       内核空间：内核空间大体上又可分为两部分，3G~3G+896M，这部分到物理地址的映射是写死的，毕竟总得有内核自己的代码也是要加载到物理内存中才能执行啊！（这也说明，程序中的初始化是一个程序非常重要的部分，今后遇到开源程序，先看它的初始部分，否则会看晕的）
       用户空间：用户空间一般有3G，又可细分为：stack、mmap、heap、bss、data、text等部分。
       stack：比较常见，就是我们平时说的栈，内存的释放不需要我们管理；
       mmap：这里一般是将我们要读的文件映射进来，实现文件的直接读写；
       heap：就是我们平常说的堆， c/c++中的new、malloc就是在这个范围内分配，需要我们程序管理释放。
       bss：通常是指用来存放程序中未初始化的全局变量的一块内存区域。
       data：通常是指用来存放程序中已初始化的全局变量的一块内存区域。
       text：通常是指用来存放程序执行代码的一块内存区域。
       用户空间的这些划分都是逻辑上的，内核代码中使用memory region对象实际管理整个虚拟地址空间，结构为vm_area_struct。一个进程中可能有多个memory region，每个memory region代表了一段地址空间范围。所有memory region以链表的形式连接在一起（同时也以红黑树的结构存储，为了快速定位一个具体的地址）。
       memory region和上面将的stack、heap等是模糊对应的，例如bss、heap等有可能在同一个memory region上。

       讲到这里，基本上把虚拟内存与物理内存的关系，以及虚拟内存的作用将清楚了（有不清楚的，可以下来直接找我）。现在就应该讲讲内核中是怎么把虚拟内存映射到物理内存的（毕竟支票无法使用）。
       经过编译后的程序中的地址都是虚拟地址，cpu再执行这个命令之前必须把虚拟地址转换为物理地址，这个转换使用的就是页表，每个app都有自己的页表。linux为了高度抽象化，规定页表有四级：
       页全局目录PGD、页上级目录PUD、页中间目录PMD和页表PT。如下图所示：（具体转换不做介绍，网上比较多，大家可以查阅）

        讲到这里，大家似乎感觉到：一个程序要使用内存，必须先申请虚拟内存，然后操作系统才给你分配物理内存。you are right！！！程序中分配虚拟内存的接口为new（c++）、malloc（c）。java中不需要我们自己操作，是由jvm向操作系统申请的。
        本贴只将了基本性的概念，具体大家可以分块查询，学习。