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

• 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，但是我們可以從這句話中找到我們做一件事情時的導向。

比如：在學習 Linux 操作系統(tǒng)的過程中，很多枯燥無味的知識點，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？因為這件事情有意義！

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 平臺上，主存儲器(也就是我們說說的內(nèi)存)負責存儲指令和數(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)存被劃分為若干個存儲單元，從 0 開始編號，一直到最大的那個存儲單元。

CPU 通過地址總線來定位一個內(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 x86 平臺的硬件，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)硬件的時候，它并不知道: 在自己的硬件之上，將會運行什么樣的程序。

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

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

因此，從 x86 平臺硬件角度看，只有(物理)內(nèi)存這個東西，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)會充分利用硬件的各種運行機制，然后進行抽象、包裝，面向應(yīng)用程序開發(fā)者提供一個穩(wěn)定的環(huán)境。

那么對于內(nèi)存來說，操作系統(tǒng)向下對物理內(nèi)存進行管理，向上對應(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、嵌入式 MCU 上，編寫應(yīng)用程序的時候，經(jīng)常會面對內(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現(xiàn)一些功能。

(突然想起多年之前的以為老工程師對我說，面對那么有限的一點資源，都會想哭！)

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。

當然了，操作系統(tǒng)會給出一些限制的，這只是操作系統(tǒng)層面的限制，因為它有自己的考量因素。

當應(yīng)用程序提出申請一塊內(nèi)存空間時，操作系統(tǒng)為了滿足應(yīng)用程序的需求，就會從虛擬內(nèi)存中“劃分”出一塊空間，然后把這個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)給我一個足夠的空間就行！至于這個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。

當然了，最終存儲數(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，達到安全目的。

三、Linux 中的換頁機制

如今，我們?nèi)€一臺 PC 機，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，主要還是價格的因素。

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

相比內(nèi)存來說，硬盤的價格就便宜多了！

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)用程序覺得有永遠也用不完的內(nèi)存資源。

在一個 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，即使此時實際的物理內(nèi)存并沒有這么大。

其實這就類似于一家旅館，假如有一個老板，開了一家旅館，一共有 1000 個房間。

同時，老板還有一個空間更大的倉庫，倉庫里可以放 10000 個床鋪。

這個老板很聰明，他明白 2 個事實情況：

1. 旅行團或顧客只能看到這個旅館的門頭和大廳，并不知道旅館里面的房間布局；

2. 旅行團并不會在同一時刻、扎堆的同時來住宿；

因此老板在對外宣傳的時候，就說：我的旅館很大，有 10000 個房間，歡迎前來入住！

為了簡化問題，我們假設(shè)每個旅行團有 100 人。

在某個時間，當有第一批的 3 個旅行團入住的時候，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，又來了第二批 4 個旅行團，此時總的住宿人數(shù)變成了 700 人。

老板開始計算：一共就 1000 個房間，現(xiàn)在消耗掉 700 個了，還剩 300 個，還能撐一會。

沒多久，第三批顧客上門了，這回是 5 個旅行團的人數(shù)：500 人 。因為老板宣傳說：有 10000 個房間，充足的很。

老板在面對這新的 500 個人時，只見他從容的把第一批和第二批的 700 個人，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，一共入住了 300 400 500 = ?1200 人，雖然旅館只有 1000 個房間，但是通過借用倉庫去暫時存放處于睡眠狀態(tài)的顧客，此時旅館中還剩下 500 個空閑的房間。

還可以繼續(xù)接待客人。。

當?shù)搅?span> 第一批的 3 個旅行團退房的時間時，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，還是我入睡時的那個環(huán)境，很好很好。。。

以上這個過程，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?=?對外宣傳的 10000 個房間；?

物理內(nèi)存 =?實際的 1000 個房間;??

硬盤? ? ? ? =?只有床鋪的倉庫。?

當物理內(nèi)存不夠的時候，操作系統(tǒng)把一些物理內(nèi)存頁的內(nèi)存暫時存儲到空間更大、價格更便宜的硬盤上，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 Linux 系統(tǒng)中的虛擬內(nèi)存有更加感性的認識？

最后，再向你安利一下文章開頭的那句話：

當你面對一件有意義、但是沒意思的事情時，不妨考慮給它加點意思；而當你面對有意思、但是沒意義的事情時，也可以給它賦予一些意義！

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