為什麼叫記憶體的抽象？

如果看過設計模式的人可能會知道，設計模式中提到最多的概念之一就是抽象，純虛的基類作為介面就是對各種派生類物件的抽象。呼叫介面的使用者，並不知道內部如何實現，因此內部實現的方法可能也有多種。地址空間也可以這樣理解，32位機上，建立程序時作業系統為程序分配4GB的獨立地址空間，使用者可以使用這4GB的獨立地址空間。但是，反過來一想，給每個程序都分配4GB地址空間，對於8GB記憶體的計算機而言豈不也就能同時執行兩個程序。對於現代計算機而言，這顯然是不可能的。所以實際上，使用者能使用的4GB地址空間並不是對應實體記憶體的4GB，具體怎麼實現被封裝了，所以叫記憶體抽象。

多道程式實現

現代作業系統能夠同時執行多個程式，程式被執行時，需要佔用記憶體的一塊空間，如果同時執行的程式太多，實體記憶體裝不下了怎麼辦？因此出現了兩種技術，交換技術和虛擬記憶體。

交換技術

交換技術：就是指當記憶體滿了以後，就將一個程式從記憶體換出，將另一個程式放入記憶體，換出的記憶體資料儲存在硬碟上，當該程式再次被換入的時候，就將硬碟上的資料拷貝到記憶體。

如下圖，藍色區域表示空閒的記憶體，綠色區域表示被某個程序佔用的記憶體。剛開始裝入A程序，然後裝入B程序，再裝入C程序。對於程序B而言假設其地址空間為0x0000-0xFFFF，對於其地址0x0000而言，對應的實體地址肯定不是0x0000，那應該是程序A的首地址。所以如果程序B要訪問其首地址0x0000，就必須加上一個偏移量，而這樣偏移量儲存在一個基址暫存器中，除了基址暫存器還有一個界限暫存器防止訪問越界。

再接著上面的說，如果這時候來了一個程序D，剩餘的記憶體放不下程序D了，這時候可以選擇將程序B交換出去，將程序B的資料儲存到硬碟上，將程序D裝入記憶體執行，如果CPU重新排程到程序B然後再採用同樣的方式將某個程序交換出去，儲存到硬碟上，把程序B裝入記憶體中，這樣的過程就叫交換技術。

虛擬記憶體

交換技術似乎解決了多道程式執行的問題，但是實際上如果每次交換一整個程序的資料，CPU需要花費數秒的時間來處理，這顯然是不能被容忍的。因此，需要提出虛擬記憶體的概念。

虛擬記憶體：作業系統為了管理記憶體，給每個程序都分配獨立的地址空間，對32位的系統而言，這個空間的大小是4GB。這4GB並不是實際的實體記憶體，實際上並不存在，因此有虛擬記憶體這一名稱。

虛擬地址空間的地址稱為邏輯地址，實際實體記憶體(就是記憶體條的大小)的地址空間稱為實體地址。虛擬地址空間被分割成多個大小相同的頁面(比如4k為一個頁面)，實體地址空間被分割成同樣大小的頁框。虛擬地址的頁面通過一個頁表對映實體記憶體的頁框，頁表中儲存著兩者的對應關係。邏輯地址是CPU使用的地址，當程序要訪問該程序地址空間裡的某個地址時時候，將該地址的值傳遞給CPU，CPU訪問該地址時，會經過MMU將邏輯地址轉換為實體地址，之前說的頁表就儲存在MMU中，作業系統為每個程序都維護一個頁表。

說了這麼多，我們還是不清楚為什麼用虛擬記憶體就能實現多個程式同時執行，並且切換效能很高呢？

我們剛剛講了，MMU把虛擬地址空間的頁表和實體地址空間的頁框關聯起來了，如果頁表中所有的資料都在頁框中有對應項，那虛擬地址就沒有任何意義了。實際上，程式執行的時候只需要部分資料存在記憶體中就可以了，因此只有部分頁面和頁框有對應值，其餘的頁表的資料儲存在硬碟一塊固定的地方(在Linux裡叫swap分割槽，window裡儲存在C盤裡)。當訪問到某個頁面在實體記憶體中沒有對應的頁框時就會發生缺頁中斷，這時候作業系統就將該頁面儲存在硬碟中的資料拷貝到實體記憶體中，並更新頁表建立該頁面和對應頁框之間的對映關係。

這樣做就實現了每次交換的代價很小，但是實體地址空間還是可能不夠用，因此作業系統交換一些資料進實體記憶體的時候，也會從實體記憶體中移除部分頁框資料到硬碟上，那到底該移出誰呢？這就涉及到頁面交換演算法了。

Linux記憶體管理

以Linux系統為例談談作業系統對記憶體的管理，一點皮毛，用於梳理自己的思路，使得面試的時候能夠思路更清晰。

前面講了程序具有獨立的地址空間，對於32位的系統而言，該地址空間的大小是4GB。Linux將這4GB的地址空間分為兩部分，一個是使用者地址空間，一個是核心地址空間。核心地址空間的地址範圍範圍為3G到4G，使用者地址空間的地址範圍為0G到3G。這裡所講的0G到4G都是虛擬地址，也稱為邏輯地址。

Linux對核心空間和使用者空間是分別管理的，因為程序要麼執行在使用者態，要麼執行在核心態，程序通過系統呼叫陷入核心態。

(借用網上一張圖片說明一下，侵刪)

核心空間

核心空間的邏輯地址範圍在3GB到4GB，並且核心空間是線性對映到物理空間的。何為線性對映，舉例說明，核心空間邏輯地址0xc0000000對應的實體地址是0x00000000，邏輯地址0xc0000001對應的實體地址是0x00000001，也就是說邏輯地址到物理都減了一個0xc0000000的偏移量。如果1GB都是這樣對映的話，那麼核心空間能使用實體地址範圍在0x00000000到0x40000000之間，不能訪問所有的實體地址了。

為了解決這個問題，核心空間就將實體記憶體分為三個區：ZONE_DMA，ZONE_NORMAL，ZONE_HIHGEM。DMA區是用於一些特殊裝置的，我們不過多追究。主要討論高階記憶體(ZONE_HIHGEM)，對於核心空間而言高於896M的空間稱為高階記憶體，低於896M的自然就可以稱為低端記憶體了，低端記憶體的範圍上，邏輯地址與實體地址是線性對映的。對於核心空間896M以上剩餘的128M是用來訪問高階記憶體的。這128M裡的頁面到物理頁框隨機對映的，和使用者空間的對映是一樣的。低端記憶體是自動永久對映的，高階記憶體可以永久對映也可以零時對映。

前面兩端主要將的是對頁表頁框的管理，後面再將如何分配記憶體，也就是如果核心需要一定大小的記憶體的時，在3GB到4GB的範圍裡取出拿一塊給它。核心空間分配記憶體可以按頁分配，採用alloc_pages()和free_pages()函式分配多個連續頁大小的記憶體，也可以通過kmalloc()分配指定大小的記憶體。

核心分配記憶體時很多時候都是分配固定大小的記憶體塊，比如為每一個程序維護的task_struct結構體等。頻繁分配這樣的小塊，很容易造成記憶體碎片，自然想到用記憶體池的方法來解決記憶體碎片的問題，只不過在Linux中給其取了一個更高大上的名字，叫快取記憶體cache與slab層。一個快取記憶體中有多個slab，分為三類：滿的，部分滿，和空的。每個slab就是一個連結串列，連結串列的每個節點就是一塊固定大小的記憶體。和記憶體池是一樣的。

使用者空間

看過作業系統書的人肯定看到過下面這樣圖。

這張圖解釋了，一個程序將資料分為程式碼段，資料段，BSS段，堆和棧。實際上這些資料分享了0GB到3GB的地址範圍。Linux管理這些段採用分割槽的結構，為每一個段維護一個vm_area_struct的結構體。這些結構體中儲存了指向下一個指標因此形成了連結串列，還有另外一個指標使其構成紅黑樹，使用者快速查詢。

對於使用者空間不得不談到malloc函式，malloc函式是動態分配記憶體，記憶體來自使用者空間的堆區。作業系統通過連結串列的形式將堆區的空間貫穿起來，當需要動態分配記憶體時就去查詢該連結串列，找到空閒塊，如果堆區滿了，就呼叫sbrk函式擴大堆的範圍。
當分配記憶體時，作業系統去查詢該連結串列，找到一塊能容納下的地方放進去，將剩餘的返還給空閒表。如何找到這個容納的地方有出現了多種演算法：首次適配演算法，第二次首次適配，最佳適配演算法，最差適配演算法。這四個演算法你可以去細講差別，首次適配第一次找到第一個大於需要的地址空間的塊，每次都從表頭開始找，第二次著從上次找到的位置開始找，最佳適配找一個和需要大小最接近比需要的大的，最差每次早最大的。實際上對於程序內部堆的分配，頁可以採取同樣類似的辦法。具體可以去看malloc的原始碼。

另外還有一點很重要的是記憶體對映檔案，記憶體對映檔案通過mmap函式實現，將檔案對映到記憶體中，讀寫檔案通過操作指標就能實現。實際上，記憶體對映檔案並不是呼叫mmap的時候就將該檔案拷貝到記憶體中，而是建立邏輯地址到檔案地址之間的對映關係，但訪問這段記憶體的資料時還是引發缺頁中斷，然後將該頁的資料換到實體地址上。可以直接使用mmap實現程序間記憶體共享，XSI的記憶體共享實現的原理也是基於mmap，只是對映一種特殊檔案系統的檔案到記憶體中，該檔案不能通過read和write呼叫來訪問。

最後用一張圖來結束本篇文章

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