今天還有時間，之前一直想抽時間來寫寫Linux內核原理相關的東西，關注點不在代碼，而在于內在的原理和機制，讓大家對Linux內核有個總體的感性認識，個人認為這很有必要，把看似復雜、深不可測的內核實現，用大家都能理解的方式，用講故事的方式，講給大家聽，如果有人聽后，有原來不過如此的感覺，那我的目的就達到了。

#　內存管理

從哪里開始呢？還是從最基礎的內存管理開始吧。

內存管理是Linux內核中最基礎，也是相當重要的部分。理解相關原理，不管是對內存的理解，還是對大家寫用戶態代碼都很有幫助。很多書上、很多文章都寫了相關內容，但個人總覺得內容太復雜，不是太容易理解，這里想用我自己理解的簡單的方式來描述，希望能有所幫助，按自己的思路，可能有點亂，見諒。

從內存分配開始

大家寫代碼時，應該都會分配內存，不同語言，層次不同，使用的接口不同，不管使用哪種方式，在Linux系統中，基本上都會調用到C庫的malloc接口，那就從malloc分配內存開始。

malloc就是用于分配一段內存，但這里分配到的內存并非物理內存，而是虛擬內存，這里沒有嚴格區分虛擬地址、線性地址之類的概念，只會給大家添負擔，也不深入講述物理內存和虛擬內存的概念，書上通常有大量的篇幅介紹，大家可以簡單這樣理解：

• 虛擬內存就是從進程的角度看，邏輯上的概念，并不實際存在；

• 物理內存就對應物理上內存條上的內存；

• 虛擬內存和物理內存有對應關系；
• 虛擬內存分配時，相應的物理內存還沒有分配；

既然虛擬內存并不實際存在，那么分配來有何用處呢，如果要向其中寫數據，數據如何寫入呢？會寫到哪里去呢？

當然，內存分配后就是拿來用的，如果不能用(比如寫數據)，那就沒有意義了。前面說的虛擬內存和物理內存有對應關系，當分配虛擬內存時，相應的物理內存還沒有分配，這里有幾個關鍵問題：

虛擬內存和物理內存的對應關系由誰來負責維護，如何對應？

物理內存何時分配？

虛擬內存到物理內存的映射

先來解答問題1。

由頁表來建立虛擬內存到物理內存之間的映射關系。?頁表是啥？

簡單看，頁表就是在內存中的一張表(不詳細介紹頁表的具體格式啥的，看書就可以了)，可以簡單看做一張hash表，記錄的是虛擬地址和物理地址的對應關系，每個虛擬地址對應一個表項，通過這張表，就能將虛擬地址轉換為物理地址，也就能建立虛擬內存到物理內存的映射關系了。

誰用頁表？

頁表有了，那誰來用呢？不可能是應用程序自己用吧，我寫代碼時好像從來都沒見過頁表？

當然，用戶看到的只是虛擬地址(虛擬內存)，其他的對用戶都是透明的~

CPU中有個硬件單元，叫MMU(內存管理單元)，頁表就是給MMU硬件用的，MMU使用頁表進行虛擬地址到物理地址的映射。也就是說，地址映射是由硬件完成的，軟件(包括操作系統內核自身)都不管關心。

都說軟件不用關心了，那我們為嘛還需要講頁表？

軟件只是不用頁表而且，但頁表的創建和維護都是由軟件(操作系統內核)負責的，也就是說我們(軟件)創建虛擬內存和物理內存的映射關系，然后由硬件來自動進行地址映射(轉換)，我們不需要關心具體的轉換過程。

前面說了，頁表是在內存中，而頁表是由軟件創建的，那MMU如果知道頁表到底在哪兒呢？

簡單說，需要我們(軟件)告訴它在哪兒，如何告訴？當然，寫寄存器。CPU上有特別的寄存器(CR3)，向其中寫入頁表的地址，MMU就知道了，然后硬件自己使用即可，我們就不管了。

有多少張頁表？

看似一張頁表就能完成所有的地址映射了？

當然不行，如果是這樣，虛擬內存就沒有什么必要存在了。

這里又涉及新概念了:進程，這是操作系統中最基礎的概念，其實不“新”。

系統中，所有任務都是以進程方式運行的，每個進程都有自己的獨立的虛擬地址空間，好像又說復雜了，簡單說，就是每個進程都有自己的虛擬內存，獨立代表，其他進程看不到自己的虛擬內存，那么就意味著，每個進程都需要獨立的虛擬內存到物理內存的映射，就是說，每個進程都需要自己的頁表。

所以，系統中有多少進程，就有多少張頁表。

頁表創建

前面說了，頁表的創建和維護是由操作系統內核完成的，那何時創建頁表呢？

如前面所說，每個進程都需要自己的頁表，顯然，頁表需要在進程創建時建立。具體的創建過程和原理就不講了。

頁表的維護

如果維護頁表？

當然，進程自己維護，如果維護？

拿前面的例子說，malloc分配虛擬內存后，并沒有分配物理內存，也沒有建立映射關系，沒有修改頁表，那到底什么時候，由誰來做映射？

答案是：“缺頁異常”。

缺頁異常

缺頁異常(page fault)又是另一個專業術語，表面上看好像不好理解。

簡單看，就是一個異常。什么是異常？這又是硬件上的概念了，具體看看書

簡單說，就是硬件上的一種機制，當硬件檢測到某種“不對”時，主動觸發，然后會自動跳轉到異常處理程序處理。異常跟中斷類似，區別在于，中斷是異步的，由外設觸發；異常是同步的，由CPU自己觸發；好像又扯遠了。

缺頁異常就是一種特定的異常，觸發條件是：MMU檢測到頁表項(頁表中的項~)不存在。

何時觸發缺頁異常？

MMU何時會去檢測頁表項？

當CPU需要訪問某個虛擬地址時，比如向某個虛擬地址寫數據(memset)，需要將虛擬地址轉換成物理地址，此時MMU就會自動去頁表中找相應的頁表項，如果發現此時相應的頁表項(也就是虛擬地址到物理地址的映射關系)還不存在，那么就會自動從硬件層面觸發缺頁異常。

也就說，缺頁異常是硬件自己觸發的，條件是當需要訪問某個虛擬地址，而該虛擬地址還沒有相應的頁表項時。

典型的場景就是，當malloc之后，對相應的虛擬地址執行memset操作。

缺頁異常中干嘛？

缺頁異常后，會跳轉到相應的異常處理程序處理，該異常處理程序是內核中提前注冊好的，其中要做的主要操作，就是：分配物理內存，然后修改相應進程的頁表，建立該物理內存和虛擬內存的映射關系(頁表項)。

當然，實際實現要復雜得多，這里不詳細描述。

回頭看看

再來重頭捋一下內存分配過程：

用戶態程序使用malloc接口，分配虛擬地址。

用戶程序訪問該虛擬地址，比如memset。

硬件（MMU）需要將虛擬地址轉換為物理地址。

硬件讀取頁表。

硬件發現相應的頁表項不存在，硬件自動觸發缺頁異常。

硬件自動跳轉到page fault的處理程序(內核實現注冊好)

內核中的page fault處理程序執行，在其中分配物理內存，然后修改頁表(創建頁表項)

異常處理完畢，返回程序用戶態，繼續執行memset相應的操作。

至此，虛擬內存和物理內存都分配完成，并完成映射。

另一個角度看，如果malloc分配內存后，一直不使用，那就一直不會分配物理內存，這種內存分配策略叫延遲分配，有其相應的好處，自己理解一下~

接下來？

本章，從內存分配的角度看了Linux內核中內存管理的關鍵原理，已經以盡量簡單的方式描述了，希望沒給大家帶來負擔~

Linux內存管理還涉及其他很多方面，如：

• 內核自身使用的內存(slab、vmalloc)
• 伙伴系統
• 進程地址空間管理

后面抽空慢慢講，但都希望能盡量簡單，希望大家一看就明白。

原文地址：?http://happyseeker.github.io/kernel/2016/11/10/memory-management-in-kernel.html

總結

以上是生活随笔為你收集整理的闲聊Linux内存管理(1)的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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