文章目錄

• • 1. 物理地址和虛擬地址定義
  • 2. 虛擬地址空間分布
  • • • • 2.1 內(nèi)核空間
        • 2.2 棧(stack)
        • 2.3 堆(heap)
        • 2.4 BSS段
        • 2.5 數(shù)據(jù)段(Data)
        • 2.6 代碼段(text)
        • 2.7 保留區(qū)
  • 3. 分段式存儲(chǔ)
  • • • • 3.1 分段式存儲(chǔ)定義
        • 3.2 分段式存儲(chǔ)示例
        • 3.3 分段式存儲(chǔ)優(yōu)缺點(diǎn)
  • 4. 分頁(yè)式存儲(chǔ)
  • • • • 4.1 分頁(yè)式存儲(chǔ)定義
        • 4.2 分頁(yè)式存儲(chǔ)示例
        • 4.3 分頁(yè)式存儲(chǔ)優(yōu)缺點(diǎn)

1. 物理地址和虛擬地址定義

物理地址 (physical address): 放在尋址總線上的地址。放在尋址總線上，如果是讀，電路根據(jù)這個(gè)地址每位的值就將相應(yīng)地址的 物理內(nèi)存中的數(shù)據(jù)放到 數(shù)據(jù)總線中傳輸。如果是寫，電路根據(jù)這個(gè)地址每位的值就在相應(yīng)地址的 物理內(nèi)存中放入 數(shù)據(jù)總線上的內(nèi)容。 物理內(nèi)存是以 字節(jié)(8位)為單位 編址的。

虛擬地址 (virtual address): CPU啟動(dòng) 保護(hù)模式后，程序運(yùn)行在虛擬 地址空間中。注意，并不是所有的“程序”都是運(yùn)行在虛擬地址中。CPU在啟動(dòng)的時(shí)候是運(yùn)行在實(shí)模式的，Bootloader以及內(nèi)核在初始化頁(yè)表之前并不使用虛擬地址，而是直接使用物理地址的。

2. 虛擬地址空間分布

2.1 內(nèi)核空間

內(nèi)核總是駐留在內(nèi)存中，是操作系統(tǒng)的一部分。內(nèi)核空間為內(nèi)核保留，不允許應(yīng)用程序讀寫該區(qū)域的內(nèi)容或直接調(diào)用內(nèi)核代碼定義的函數(shù)。

2.2 棧(stack)

• 棧是由高地址向低地址擴(kuò)展的連續(xù)內(nèi)存，棧的大小一般為 2M 或者 10M。

• 棧內(nèi)存是由系統(tǒng)分配，系統(tǒng)釋放的，以函數(shù)為單位進(jìn)行棧內(nèi)存分配，函數(shù)棧幀，局部變量，形參變量等都存放在棧內(nèi)存上。

• 棧的內(nèi)存分配釋放速度快效率高，內(nèi)存都是連續(xù)的。

2.3 堆(heap)

• 堆是由低地址向高地址擴(kuò)展的非連續(xù)內(nèi)存，堆的大小影響的因素比較多，和系統(tǒng)虛擬內(nèi)存的大小有關(guān)系。

• 堆內(nèi)存是由用戶自己分配的，C 語(yǔ)言用 malloc/free進(jìn)行分配釋放，C++用 new/delete 進(jìn)行分配釋放，由于堆需要用戶自己管理，因此堆內(nèi)存很容易造成內(nèi)存泄露，而棧內(nèi)存不會(huì)。

• 堆內(nèi)存的分配釋放相對(duì)于棧來(lái)說(shuō)效率低一些，內(nèi)存不一定連續(xù)，容易產(chǎn)生內(nèi)存碎片，但是靈活性高。

2.4 BSS段

BSS(Block Started by Symbol)段中通常存放程序中以下內(nèi)容

• 未初始化的全局變量和靜態(tài)局部變量

• 初始值為0的全局變量和靜態(tài)局部變量(依賴于編譯器實(shí)現(xiàn))

• 未定義且初值不為0的符號(hào)(該初值即common block的大小)

2.5 數(shù)據(jù)段(Data)

數(shù)據(jù)段通常用于存放程序中已初始化且初值不為0的全局變量和靜態(tài)局部變量。數(shù)據(jù)段屬于靜態(tài)內(nèi)存分配(靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū))，可讀可寫。

數(shù)據(jù)段保存在目標(biāo)文件中(在嵌入式系統(tǒng)里一般固化在鏡像文件中)，其內(nèi)容由程序初始化。例如，對(duì)于全局變量int gVar = 10，必須在目標(biāo)文件數(shù)據(jù)段中保存10這個(gè)數(shù)據(jù)，然后在程序加載時(shí)復(fù)制到相應(yīng)的內(nèi)存。

2.6 代碼段(text)

代碼段也稱正文段或文本段，通常用于存放程序執(zhí)行代碼(即CPU執(zhí)行的機(jī)器指令)。

2.7 保留區(qū)

位于虛擬地址空間的最低部分，未賦予物理地址。任何對(duì)它的引用都是非法的，用于捕捉使用空指針和小整型值指針引用內(nèi)存的異常情況。

3. 分段式存儲(chǔ)

3.1 分段式存儲(chǔ)定義

段式管理（segmentation），是指把一個(gè)程序分成若干個(gè)段（segment）進(jìn)行存儲(chǔ)，每個(gè)段都是一個(gè)邏輯實(shí)體（logical entity），程序員需要知道并使用它。它的產(chǎn)生是與程序的模塊化直接有關(guān)的。段式管理是通過段表進(jìn)行的，它包括段號(hào)或段名、段起點(diǎn)、裝入位、段的長(zhǎng)度等。此外還需要主存占用區(qū)域表、主存可用區(qū)域表。

3.2 分段式存儲(chǔ)示例

假設(shè)有兩個(gè)進(jìn)程 A 和 B ，進(jìn)程 A 所需內(nèi)存大小為 10M ，其虛擬地址空間分布在 0x00000000 到 0x00A00000 ，進(jìn)程 B 所需內(nèi)存為 100M ，其虛擬地址空間分布為 0x00000000 到 0x06400000 。那么按照分段的映射方法，進(jìn)程 A 在物理內(nèi)存上映射區(qū)域?yàn)?0x00100000 到 0x00B00000 ，，進(jìn)程 B 在物理內(nèi)存上映射區(qū)域?yàn)?0x00C00000 到 0x07000000 。于是進(jìn)程 A 和進(jìn)程 B 分別被映射到了不同的內(nèi)存區(qū)間，彼此互不重疊，實(shí)現(xiàn)了地址隔離。從應(yīng)用程序的角度看來(lái)，進(jìn)程 A 的地址空間就是分布在 0x00000000 到 0x00A00000 ，在做開發(fā)時(shí)，開發(fā)人員只需訪問這段區(qū)間上的地址即可。應(yīng)用程序并不關(guān)心進(jìn)程 A 究竟被映射到物理內(nèi)存的那塊區(qū)域上了，所以程序的運(yùn)行地址也就是相當(dāng)于說(shuō)是確定的了。

3.3 分段式存儲(chǔ)優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)
在段式存儲(chǔ)管理中，每個(gè)段地址的說(shuō)明為兩個(gè)量：一個(gè)段名和一個(gè)位移。在段內(nèi)，是連續(xù)完整存放的。而在段與段之間是不一定連續(xù)編址的。段名和位移構(gòu)成了一種二維編址。 段式管理是不連續(xù)分配內(nèi)存技術(shù)中的一種。其最大特點(diǎn)在于他按照用戶觀點(diǎn)，即按程序段、數(shù)據(jù)段等有明確邏輯含義的“段”，分配內(nèi)存空間。克服了頁(yè)式的、硬性的、非邏輯劃分給保護(hù)和共享與支態(tài)伸縮帶來(lái)的不自然性。 段的最大好處是可以充分實(shí)現(xiàn)共享和保護(hù)，便于動(dòng)態(tài)申請(qǐng)內(nèi)存，管理和使用統(tǒng)一化，便于動(dòng)態(tài)鏈接。

缺點(diǎn)
(1) 有內(nèi)存碎片產(chǎn)生問題。
(2) 在分段的映射方法中，每次換入換出內(nèi)存的都是整個(gè)程序， 這樣會(huì)造成大量的磁盤訪問操作，導(dǎo)致效率低下。

4. 分頁(yè)式存儲(chǔ)

4.1 分頁(yè)式存儲(chǔ)定義

將各進(jìn)程的虛擬空間劃分成若干個(gè)長(zhǎng)度相等的頁(yè)(page)，頁(yè)式管理把內(nèi)存空間按頁(yè)的大小劃分成片或者頁(yè)面（page frame），然后把頁(yè)式虛擬地址與內(nèi)存地址建立一一對(duì)應(yīng)頁(yè)表，并用相應(yīng)的硬件地址變換機(jī)構(gòu)，來(lái)解決離散地址變換問題。頁(yè)式管理采用請(qǐng)求調(diào)頁(yè)或預(yù)調(diào)頁(yè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了內(nèi)外存存儲(chǔ)器的統(tǒng)一管理。

4.2 分頁(yè)式存儲(chǔ)示例

一個(gè)可執(zhí)行文件 (PE 文件 ) 其實(shí)就是一些編譯鏈接好的數(shù)據(jù)和指令的集合，它也會(huì)被分成很多頁(yè)，在 PE 文件執(zhí)行的過程中，它往內(nèi)存中裝載的單位就是頁(yè)。在 PE 文件的第一頁(yè)包含了 PE 文件頭和段表等信息，進(jìn)程根據(jù)文件頭和段表等信息，將 PE 文件中所有的段一一映射到虛擬地址空間中相應(yīng)的頁(yè) (PE 文件中的段的長(zhǎng)度都是頁(yè)長(zhǎng)的整數(shù)倍 ) 。這時(shí) PE 文件的真正指令和數(shù)據(jù)還沒有被裝入內(nèi)存中，操作系統(tǒng)只是根據(jù) PE 文件的頭部等信息建立了 PE 文件和進(jìn)程虛擬地址空間中頁(yè)的映射關(guān)系而已。當(dāng) CPU 要訪問程序中用到的某個(gè)虛擬地址時(shí)，當(dāng) CPU 發(fā)現(xiàn)該地址并沒有相相關(guān)聯(lián)的物理地址時(shí)， CPU 認(rèn)為該虛擬地址所在的頁(yè)面是個(gè)空頁(yè)面， CPU 會(huì)認(rèn)為這是個(gè)頁(yè)錯(cuò)誤 (Page Fault) ， CPU 也就知道了操作系統(tǒng)還未給該 PE 頁(yè)面分配內(nèi)存， CPU 會(huì)將控制權(quán)交還給操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)于是為該 PE 頁(yè)面在物理空間中分配一個(gè)頁(yè)面，然后再將這個(gè)物理頁(yè)面與虛擬空間中的虛擬頁(yè)面映射起來(lái)，然后將控制權(quán)再還給進(jìn)程，進(jìn)程從剛才發(fā)生頁(yè)錯(cuò)誤的位置重新開始執(zhí)行。由于此時(shí)已為 PE 文件的那個(gè)頁(yè)面分配了內(nèi)存，所以就不會(huì)發(fā)生頁(yè)錯(cuò)誤了。隨著程序的執(zhí)行，頁(yè)錯(cuò)誤會(huì)不斷地產(chǎn)生，操作系統(tǒng)也會(huì)為進(jìn)程分配相應(yīng)的物理頁(yè)面來(lái)滿足進(jìn)程執(zhí)行的需求。

4.3 分頁(yè)式存儲(chǔ)優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)
(1) 由于它不要求作業(yè)或進(jìn)程的程序段和數(shù)據(jù)在內(nèi)存中連續(xù)存放，從而有效地解決了碎片問題。
(2) 動(dòng)態(tài)頁(yè)式管理提供了內(nèi)存和外存統(tǒng)一管理的虛存實(shí)現(xiàn)方式，使用戶可以利用的存儲(chǔ)空間大大增加。這既提高了主存的利用率，又有利于組織多道程序執(zhí)行。

缺點(diǎn)
(1) 要求有相應(yīng)的硬件支持。例如地址變換機(jī)構(gòu)，缺頁(yè)中斷的產(chǎn)生和選擇淘汰頁(yè)面等都要求有相應(yīng)的硬件支持。這增加了機(jī)器成本。
(2) 增加了系統(tǒng)開銷，例如缺頁(yè)中斷處理機(jī)。
(3) 請(qǐng)求調(diào)頁(yè)的算法如選擇不當(dāng)，有可能產(chǎn)生抖動(dòng)現(xiàn)象。
(4) 雖然消除了碎片，但每個(gè)作業(yè)或進(jìn)程的最后一頁(yè)內(nèi)總有一部分空間得不到利用果頁(yè)面較大，則這一部分的損失仍然較大。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的【Linux】虚拟地址空间的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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