Linux系統(tǒng)是如何用虛擬內(nèi)存來(lái)欺騙應(yīng)用程序的？

• 一、讓有意義的事情變的有意思

• 二、物理內(nèi)存、虛擬內(nèi)存

• 三、Linux 中的換頁(yè)機(jī)制

一、讓有意義的事情變的有意思

昨天，看到下面這句話，送給您：

讓有意思的事情變的有意義，讓有意義的事情變的有意思！

不敢說(shuō)這是一句人生哲學(xué)，但是我們可以從這句話中找到我們做一件事情時(shí)的導(dǎo)向。

比如：在學(xué)習(xí) Linux 操作系統(tǒng)的過(guò)程中，很多枯燥無(wú)味的知識(shí)點(diǎn)，都是不好玩、沒(méi)有意思的事情。

但是為什么我們還要逼著自己，靜下心來(lái)啃那些大部頭書(shū)籍呢？因?yàn)檫@件事情有意義！

所以啊，如果能夠在這件有意義的事情上，再變得更有意思，那就可以調(diào)動(dòng)我們潛在的很多積極性。

這篇文章，我們用簡(jiǎn)單、輕松的方式，來(lái)聊一下老生常談的虛擬內(nèi)核和物理內(nèi)存的那些事。

二、物理內(nèi)存、虛擬內(nèi)存

1. 從 x86 硬件角度看

在 x86 平臺(tái)上，主存儲(chǔ)器(也就是我們說(shuō)說(shuō)的內(nèi)存)負(fù)責(zé)存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)，它的作用僅次于 CPU。

離開(kāi)了內(nèi)存，性能再好的 CPU 也無(wú)法工作。

就像人類(lèi)的大腦一樣，如果沒(méi)有了記憶功能，再怎么聰明都無(wú)法施展。

內(nèi)存被劃分為若干個(gè)存儲(chǔ)單元，從 0 開(kāi)始編號(hào)，一直到最大的那個(gè)存儲(chǔ)單元。

CPU 通過(guò)地址總線來(lái)定位一個(gè)內(nèi)存的空間，通過(guò)數(shù)據(jù)總線從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)、或者向內(nèi)存中寫(xiě)入數(shù)據(jù)。

我們都知道，同一個(gè) x86 平臺(tái)的硬件，既可以安裝 Windows 操作系統(tǒng)，也可以安裝 Linux 操作系統(tǒng)。

也就是說(shuō)，在生產(chǎn)硬件的時(shí)候，它并不知道: 在自己的硬件之上，將會(huì)運(yùn)行什么樣的程序。

也許會(huì)有高手直接寫(xiě)一個(gè)牛逼的程序，直接來(lái)管理各種硬件資源、實(shí)現(xiàn)自己特定的功能呢?。?/p>

不管如何，x86 平臺(tái)處理器架構(gòu)定義了自己的一套規(guī)則來(lái)訪問(wèn)內(nèi)存。

因此，從 x86 平臺(tái)硬件角度看，只有(物理)內(nèi)存這個(gè)東西，它壓根不知道什么是虛擬內(nèi)存。

2. 從操作系統(tǒng)的角度看

操作系統(tǒng)最重要的功能就是：向應(yīng)用程序屏蔽了各種硬件資源，提供更加友好的接口，讓程序開(kāi)發(fā)變得更容易。

所以，操作系統(tǒng)會(huì)充分利用硬件的各種運(yùn)行機(jī)制，然后進(jìn)行抽象、包裝，面向應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者提供一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)境。

那么對(duì)于內(nèi)存來(lái)說(shuō)，操作系統(tǒng)向下對(duì)物理內(nèi)存進(jìn)行管理，向上對(duì)應(yīng)用程序提供虛擬內(nèi)存。

虛擬內(nèi)存，就是操作系統(tǒng)在應(yīng)用程序與物理內(nèi)存之間加入的一層抽象，加入這個(gè)抽象層之后，有很多的好處。

3. 從應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者的角度看

在很久以前，各種單片機(jī)、嵌入式 MCU 上，編寫(xiě)應(yīng)用程序的時(shí)候，經(jīng)常會(huì)面對(duì)內(nèi)存很緊張的情況，這是就要很好的來(lái)優(yōu)化自己的程序，利用有限的硬件資源來(lái)實(shí)現(xiàn)一些功能。

(突然想起多年之前的以為老工程師對(duì)我說(shuō)，面對(duì)那么有限的一點(diǎn)資源，都會(huì)想哭！)

隨著硬件的快速發(fā)展，這種硬件資源緊張的情況好像很少遇到了，給我們的感覺(jué)是：內(nèi)存我可以隨便用，想要多少就 malloc 多少。

當(dāng)然了，操作系統(tǒng)會(huì)給出一些限制的，這只是操作系統(tǒng)層面的限制，因?yàn)樗凶约旱目剂恳蛩亍?/p>

當(dāng)應(yīng)用程序提出申請(qǐng)一塊內(nèi)存空間時(shí)，操作系統(tǒng)為了滿足應(yīng)用程序的需求，就會(huì)從虛擬內(nèi)存中“劃分”出一塊空間，然后把這個(gè)空間的開(kāi)始地址返回給應(yīng)用程序。

因此，從應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)的角度看，我們并不關(guān)心物理內(nèi)存、虛擬內(nèi)存。

只要我 malloc 了，操作系統(tǒng)給我一個(gè)足夠的空間就行！至于這個(gè)空間是從哪里分配的，I don't care!

也就是說(shuō)，應(yīng)用程序是面向虛擬內(nèi)存編寫(xiě)的，而不是面向物理內(nèi)存編寫(xiě)的。

當(dāng)然了，最終存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的肯定是物理內(nèi)存，至于虛擬內(nèi)存如何與物理內(nèi)存建立對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系，這就是由操作系統(tǒng)操心的事情了。

每個(gè)應(yīng)用程序只能看到自己的虛擬內(nèi)存空間，這是一塊連續(xù)的空間，從而保證了不同應(yīng)用程序之間的隔離，達(dá)到安全目的。

三、Linux 中的換頁(yè)機(jī)制

如今，我們?nèi)€一臺(tái) PC 機(jī)，內(nèi)存條最少都是 8G、16G吧！但是在多年之前，這是非常、非常奢侈的一件事情，主要還是價(jià)格的因素。

我記得自己在做畢業(yè)設(shè)計(jì)的時(shí)候，為了保存代碼，去南京珠江路買(mǎi)了一個(gè) U 盤(pán)，64G，好像是 70 塊錢(qián)。

相比內(nèi)存來(lái)說(shuō)，硬盤(pán)的價(jià)格就便宜多了！

因此，Linux 操作系統(tǒng)就充分利用硬盤(pán)來(lái)糊弄應(yīng)用程序，讓?xiě)?yīng)用程序覺(jué)得有永遠(yuǎn)也用不完的內(nèi)存資源。

在一個(gè) 32 位的系統(tǒng)中，應(yīng)用程序可以訪問(wèn)的最大內(nèi)存空間是 2 的 32 次方，也就是 4 GB，即使此時(shí)實(shí)際的物理內(nèi)存并沒(méi)有這么大。

其實(shí)這就類(lèi)似于一家旅館，假如有一個(gè)老板，開(kāi)了一家旅館，一共有 1000 個(gè)房間。

同時(shí)，老板還有一個(gè)空間更大的倉(cāng)庫(kù)，倉(cāng)庫(kù)里可以放 10000 個(gè)床鋪。

這個(gè)老板很聰明，他明白 2 個(gè)事實(shí)情況：

1. 旅行團(tuán)或顧客只能看到這個(gè)旅館的門(mén)頭和大廳，并不知道旅館里面的房間布局；

2. 旅行團(tuán)并不會(huì)在同一時(shí)刻、扎堆的同時(shí)來(lái)住宿；

因此老板在對(duì)外宣傳的時(shí)候，就說(shuō)：我的旅館很大，有 10000 個(gè)房間，歡迎前來(lái)入??！

為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，我們假設(shè)每個(gè)旅行團(tuán)有 100 人。

在某個(gè)時(shí)間，當(dāng)有第一批的 3 個(gè)旅行團(tuán)入住的時(shí)候，老板覺(jué)得房間足夠，于是把這 300 人都安排在旅館的房間中。

過(guò)了一會(huì)，又來(lái)了第二批 4 個(gè)旅行團(tuán)，此時(shí)總的住宿人數(shù)變成了 700 人。

老板開(kāi)始計(jì)算：一共就 1000 個(gè)房間，現(xiàn)在消耗掉 700 個(gè)了，還剩 300 個(gè)，還能撐一會(huì)。

沒(méi)多久，第三批顧客上門(mén)了，這回是 5 個(gè)旅行團(tuán)的人數(shù)：500 人 。因?yàn)槔习逍麄髡f(shuō)：有 10000 個(gè)房間，充足的很。

老板在面對(duì)這新的 500 個(gè)人時(shí)，只見(jiàn)他從容的把第一批和第二批的 700 個(gè)人，從房間中轉(zhuǎn)移到倉(cāng)庫(kù)。

我們假設(shè)顧客都處于睡眠狀態(tài)，僅僅需要一張床而已，不需要消耗其他的資源。

然后把這新的 500 人，安排在房間中入住。

此時(shí)，一共入住了 300 + 400 + 500 =  1200 人，雖然旅館只有 1000 個(gè)房間，但是通過(guò)借用倉(cāng)庫(kù)去暫時(shí)存放處于睡眠狀態(tài)的顧客，此時(shí)旅館中還剩下 500 個(gè)空閑的房間。

還可以繼續(xù)接待客人。。

當(dāng)?shù)搅?span style="color:orange;"> 第一批的 3 個(gè)旅行團(tuán)退房的時(shí)間時(shí)，老板再把這 300  人從倉(cāng)庫(kù)中 偷偷地轉(zhuǎn)移到旅館的房間中。這些客人醒來(lái)一看，還是我入睡時(shí)的那個(gè)環(huán)境，很好很好。。。

以上這個(gè)過(guò)程，就非常類(lèi)似 Linux 系統(tǒng)中虛擬內(nèi)存的換頁(yè)方式：

虛擬內(nèi)存 = 對(duì)外宣傳的 10000 個(gè)房間； 

物理內(nèi)存 = 實(shí)際的 1000 個(gè)房間;  

硬盤(pán)        = 只有床鋪的倉(cāng)庫(kù)。 

當(dāng)物理內(nèi)存不夠的時(shí)候，操作系統(tǒng)把一些物理內(nèi)存頁(yè)的內(nèi)存暫時(shí)存儲(chǔ)到空間更大、價(jià)格更便宜的硬盤(pán)上，然后就可以回收這些物理內(nèi)存繼續(xù)使用了。

怎么樣，通過(guò)這樣的類(lèi)比方式，是不是對(duì) Linux 系統(tǒng)中的虛擬內(nèi)存有更加感性的認(rèn)識(shí)？

最后，再向你安利一下文章開(kāi)頭的那句話：

當(dāng)你面對(duì)一件有意義、但是沒(méi)意思的事情時(shí)，不妨考慮給它加點(diǎn)意思；而當(dāng)你面對(duì)有意思、但是沒(méi)意義的事情時(shí)，也可以給它賦予一些意義！

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