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在計(jì)算機(jī)中，內(nèi)存扮演著非常重要的角色。操作系統(tǒng)需要使用內(nèi)存來(lái)存儲(chǔ)運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)和程序，而應(yīng)用程序也需要內(nèi)存來(lái)進(jìn)行計(jì)算和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。在Linux系統(tǒng)中，內(nèi)存被分為兩種類型：物理內(nèi)存和虛擬內(nèi)存。物理內(nèi)存是實(shí)際存在于計(jì)算機(jī)中的內(nèi)存，而虛擬內(nèi)存則是在應(yīng)用程序中看到的邏輯地址。
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本文將詳細(xì)介紹Linux內(nèi)存位置的各個(gè)方面，包括物理地址和虛擬地址之間的區(qū)別以及操作系統(tǒng)如何使用這些地址來(lái)管理內(nèi)存。
物理地址
物理地址是指內(nèi)存中實(shí)際存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的地址。在計(jì)算機(jī)中，物理內(nèi)存是用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序的物理位置。對(duì)于處理器和其他硬件設(shè)備而言，物理內(nèi)存是唯一的存在。通常情況下，內(nèi)存中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可以被直接訪問，以便對(duì)其進(jìn)行讀寫操作。
物理地址通常由32位或64位地址總線構(gòu)成。32位地址總線可以尋址2^32（即4GB）的物理內(nèi)存空間，而64位地址總線可以尋址2^64（即16EB）的物理內(nèi)存空間。因此，物理地址范圍取決于使用的硬件和計(jì)算機(jī)的架構(gòu)。
物理地址在操作系統(tǒng)中扮演著重要的角色，因?yàn)樗苯記Q定了操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序可以使用和管理的內(nèi)存范圍。如果存在物理內(nèi)存短缺的情況，操作系統(tǒng)可能會(huì)使用虛擬內(nèi)存來(lái)緩解這種情況，并將數(shù)據(jù)移動(dòng)到硬盤上以騰出物理內(nèi)存。
虛擬地址
虛擬地址是應(yīng)用程序在其內(nèi)部看到的地址。虛擬地址通常是32位或64位的整數(shù)，它對(duì)應(yīng)于實(shí)際的物理地址。虛擬地址空間是由操作系統(tǒng)提供的，應(yīng)用程序可以使用它來(lái)進(jìn)行讀寫操作，而不必知道實(shí)際的物理地址。
操作系統(tǒng)使用虛擬地址來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)存管理。它創(chuàng)建一個(gè)虛擬地址空間給每個(gè)應(yīng)用程序，讓它們看到自己有完整的地址空間，以便訪問自己的數(shù)據(jù)。虛擬地址允許操作系統(tǒng)將內(nèi)存分配給多個(gè)進(jìn)程，并控制每個(gè)進(jìn)程可以訪問的內(nèi)存范圍。
虛擬地址通常是從0開始分配的。在32位操作系統(tǒng)中，虛擬地址范圍是0到0xFFFFFFFF，而在64位操作系統(tǒng)中，虛擬地址范圍是從0x0000000000000000到0xFFFFFFFFFFFFFFFF。這種取值范圍意味著每個(gè)應(yīng)用程序可以使用自己的完整的地址空間而不會(huì)影響其他進(jìn)程的內(nèi)存。
虛擬內(nèi)存
虛擬內(nèi)存是操作系統(tǒng)中的一種技術(shù)，它允許應(yīng)用程序訪問超出物理內(nèi)存的數(shù)據(jù)。虛擬內(nèi)存是通過使用磁盤空間作為額外的內(nèi)存來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這被稱為虛擬內(nèi)存交換文件（Swap文件）。
操作系統(tǒng)會(huì)將一部分物理內(nèi)存映射到虛擬內(nèi)存，這樣就可以讓應(yīng)用程序看到其可用的虛擬內(nèi)存空間，即使實(shí)際內(nèi)存大小可能不足。當(dāng)應(yīng)用程序需要獲取物理內(nèi)存時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)將其分配給應(yīng)用程序。當(dāng)物理內(nèi)存不足時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)將不經(jīng)常被使用的內(nèi)存存入磁盤作為虛擬內(nèi)存，以騰出物理內(nèi)存為新的數(shù)據(jù)。
虛擬內(nèi)存是操作系統(tǒng)管理內(nèi)存的基本機(jī)制之一。當(dāng)應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)，操作系統(tǒng)將使用虛擬內(nèi)存來(lái)增加物理內(nèi)存。如果物理內(nèi)存不足，操作系統(tǒng)將自動(dòng)將數(shù)據(jù)移入和移出交換文件。
Linux內(nèi)存地址
在Linux系統(tǒng)中，內(nèi)存地址被分為兩種類型：內(nèi)核空間和用戶空間。內(nèi)核空間包括內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)程序和操作系統(tǒng)等運(yùn)行時(shí)使用的代碼。用戶空間是應(yīng)用程序的地址空間。操作系統(tǒng)使用虛擬地址空間將這兩種空間隔離開來(lái)，并防止用戶應(yīng)用程序訪問內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
在32位Linux系統(tǒng)中，內(nèi)核空間地址范圍是0xC0000000～0xFFFFFFFF（即3GB到4GB）。用戶空間地址范圍是0x00000000～0xBFFFFFFF（即0到3GB）。而在64位Linux系統(tǒng)中，內(nèi)核空間地址范圍是0xFFFF800000000000~0xFFFFFFFFFFFFFFFF（即256TB到512TB），而用戶空間地址范圍是0x0000000000000000~0x00007FFFFFFFFFFF（即0到128TB）。
在Linux系統(tǒng)中，虛擬地址空間被分成多個(gè)段，每個(gè)段都有自己的屬性和限制。例如，代碼段、數(shù)據(jù)段、堆和棧等。代碼段包含程序的可執(zhí)行代碼，數(shù)據(jù)段包含全局變量和靜態(tài)變量等，堆則包含動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存，棧則包含函數(shù)調(diào)用中局部變量和返回地址等。
Linux內(nèi)存位置是系統(tǒng)中的一個(gè)重要部分。物理地址和虛擬地址之間的區(qū)別決定了操作系統(tǒng)如何分配內(nèi)存，并且管理內(nèi)存使得多個(gè)應(yīng)用程序可以同時(shí)運(yùn)行。在Linux系統(tǒng)中，虛擬地址空間被分成多個(gè)段，每個(gè)段都具有自己的屬性和限制，以方便內(nèi)存管理。虛擬內(nèi)存則是操作系統(tǒng)管理內(nèi)存的基本機(jī)制之一，確保程序在運(yùn)行時(shí)總是有足夠的內(nèi)存可用。通過深入了解Linux內(nèi)存位置的各個(gè)方面，您可以更好地理解如何正確分配內(nèi)存，并優(yōu)化Linux系統(tǒng)的性能。
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實(shí)用平臺(tái)：i386
Linux內(nèi)存線性地址空間大小為4GB，分為2個(gè)局部：用戶空間局部(等閑是3G)和內(nèi)核空間局部(等閑是1G)。在此我們重要關(guān)懷內(nèi)核地址空間局部。
內(nèi)核穿越內(nèi)核頁(yè)大局目錄來(lái)管教所有的物理內(nèi)存，由于線形地址前3G空間為用戶利用，內(nèi)核頁(yè)大局目錄前768項(xiàng)(剛好3G)除0、1兩項(xiàng)外全副為0，后256項(xiàng)(1G)用來(lái)管教所有的物理內(nèi)存。內(nèi)核頁(yè)大局目錄在編譯時(shí)靜態(tài)地定義為swapper_pg_dir數(shù)組，該數(shù)組從物理內(nèi)存地址0x101000處開始儲(chǔ)藏。
由圖可見，內(nèi)核線形地址空間局部從PAGE_OFFSET(等閑定義為3G)開始，為了將內(nèi)核裝入內(nèi)存，從PAGE_OFFSET開始8M線形地址用來(lái)照射內(nèi)核所在的物理內(nèi)存地址；接下來(lái)是mem_map數(shù)組，mem_map的起始線形地址與系統(tǒng)構(gòu)造相干，例如對(duì)于UMA構(gòu)造，由于從PAGE_SIZE開始16M線形地址空間對(duì)應(yīng)的16M物理地址空間是DMA區(qū)，mem_map數(shù)組等閑開始于PAGE_SIZE+16M的線形地址；從PAGE_SIZE開始到VMALLOC_START
–
VMALLOC_OFFSET的線形地址空間直接照射到物理內(nèi)存空間(一一對(duì)應(yīng)影射，物理地址=線形地址-PAGE_OFFSET)，這段區(qū)域的大小和機(jī)器切實(shí)具有的物理內(nèi)存大小有關(guān)，這兒VMALLOC_OFFSET在x86上為8M，重要用來(lái)遏止越界訛謬；在內(nèi)存比擬小的系統(tǒng)上，余下的線形地址空間(還要再扣除空白區(qū)即VMALLOC_OFFSET)被vmalloc()函數(shù)用來(lái)把不繼續(xù)的物理地址空間照射到繼續(xù)的線形地址空間上，在內(nèi)存比擬大的系統(tǒng)上祥鏈，vmalloc()利用從VMALLOC_START到VMALLOC_END(也即PKMAP_BASE扣除2頁(yè)的空白頁(yè)大小PAGE_SIZE)的線形地址空間，此刻余下的線形地址空間(還要再扣除2頁(yè)的空白區(qū)讓雀即VMALLOC_OFFSET)又能夠分成2局部：之一局部從PKMAP_BASE到FIXADDR_START用來(lái)由kmap()函坦宴早數(shù)照射高端內(nèi)存；第二局部，從FIXADDR_START到FIXADDR_TOP，這是一個(gè)安寧大小的線形地址空間，(引用：Fixed
virtual addresses are needed for subsystems that need to know the
virtual address at compile time such as the
APIC)，在x86系統(tǒng)構(gòu)造上，F(xiàn)IXADDR_TOP被靜態(tài)定義為0xFFFFE000,此刻這個(gè)安寧大小空間告終于全副線形地址空間最后4K前面，該安寧大小空間大小是在編譯時(shí)計(jì)算出來(lái)并存儲(chǔ)在__FIXADDR_SIZE變量中。真空斷路器o:p>
正是由于vmalloc()利用區(qū)、kmap()利用區(qū)及安寧大小區(qū)的存在才使ZONE_NORMAL區(qū)大小受到局限，由于內(nèi)核在運(yùn)行時(shí)必需這些函數(shù)，因而在線形地址空間中起碼要VMALLOC_RESERVE大小的空間。VMALLOC_RESERVE的大小與系統(tǒng)構(gòu)造相干，在x86上，VMALLOC_RESERVE定義為128M，這即便為什么我們看到ZONE_NORMAL大小等閑是16M到896M的起因。
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新聞名稱：Linux內(nèi)存位置詳解：從物理地址到虛擬地址(linux內(nèi)存位置)
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