[原创] 内存的虚与实

lemonboard 2024-1-25 18:12 楼主

# 内存的虚与实

在学习《计算机操作系统》课时，谈到在操作系统下，各个程序都是认为自己是系统的全部，即独享着系统全部资源。这样的好处十分明显：程序开发的时候并不需要关心其它程序，更不用关心其它程序对硬件资源的占用。与此作对比，在嵌入式系统MCU上进行开发时，则必须要考虑其它进程的情况。否则，要么饿死别人，要么被别人饿死。而两者的区分也非常简单，即看硬件资源有无MMU模块。今天给大家带来的分享是内存管理中的虚与实。也就是MMU与Linux Kernel如何管理内存的策略。
在64位系统中，低地址空间256TB范围为用户空间，高256TB范围为内核空间。Linux操作系统对于不同应用程序分配相同的用户空间地址，而自己的内核空间则独占式管理。

## **地址空间分布**

上面所说，各个程序分配了相同的地址空间，这也“欺骗”了应用程序，让其认为一直在运行。对于物理内存来说，同一个地址肯定不会存放着两个程序所需要使用的数据。这个很现实，那么前面从应用程序看到的地址就是虚拟内存地址，由MMU提供。真实的内存物理地址则由系统与MMU共同管理，对应用程序无感。换句话说，应用程序0看到的0x20000000的内容与应用程序1看到的0x20000000的内容不同，两者虽然“内存地址”相同，但物理内存地址并不同，其内容不同也就不难理解了。
我们再来看一下ARM64的地址空间分布：

再来细化一下用户空间地址：

## **内存申请函数**

接合实际开发应用，我们再看一下程序中常用的四个内存空间申请接口函数：kmalloc(), vmalloc(), malloc(), mmap()。
先说一下四个函数的相同点：都是用来申请一段内存。而不同点就是申请下来的这段内存所在的地址空间位置，地址是否物理连续了。我们分开来具体说明一下：

- kmalloc()函数。kmalloc()用于在内核空间中分配一定数量的物理连续页。注意它分配出来的内存是连续的物理内存，这一点有别于下面要说的vmalloc()。
- vmalloc()函数。其也是在Linux 内核中的分配大块内存，与 kmalloc() 不同，vmalloc() 通常用于需要连续内存但不需要物理连续性的场景。它分配的内存区域是通过页表映射到内核的虚拟地址空间的。这意味着这些区域可以使用内核的任何虚拟地址，包括直接映射的区域和高端内存区域。
- malloc()函数。它是C语言的标准库函数，用于在堆区动态分配内存。注意：它是在用户空间中使用的，而不是内核空间。
- mmap()函数。它是一种内存映射文件的方法。允许一个进程将一个文件或者其他对象映射进内存。一旦一个文件被映射，进程就可以像访问内存一样访问该文件。mmap() 用于实现共享内存，这对于多进程间通信和数据共享非常有用，同时，内核空间对这段区域的修改也直接反映用户空间，从而可以实现不同进程间的文件共享。

下面这和图片展示了mmap()的映射关系。

## **总结**

内存的知识，内存管理的知识十分宏大。短短几天的阅读，坦白讲，也只是了解了一个皮毛，知道其应用的场景，而要明白其背后的策略，设计的目的，解决的问题则需要更多的时间，结合实际应用来不断的提出问题，不断的理解。

不过，通过本章的总结，我发现，其实malloc()函数调用返回的内存地址已经是对齐了~~

虚虚实实，各自发挥着各自的作用，在操作系统中相得益彰。充分利用它们各自的优点，让我们的程序性能优异，稳定可靠。