程序（我們這里只討論單進(jìn)程情況，存在多進(jìn)程的程序如淘寶微信等不展開(kāi)討論）鏡像存在磁盤(pán)中，運(yùn)行時(shí)將鏡像加載至內(nèi)存RAM中，然后開(kāi)始執(zhí)行。
先來(lái)看一下CPU的多級(jí)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，CPU通用寄存器訪問(wèn)速度最快，其次是Cache，再次是內(nèi)存，磁盤(pán)訪問(wèn)速度最慢。
CPU的多級(jí)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)
對(duì)于進(jìn)程而言，可使用的地址空間為2^32=4G，那么對(duì)于只有2G內(nèi)存甚至只有256M內(nèi)存的嵌入式設(shè)備怎么辦？這個(gè)時(shí)候就需要MMU負(fù)責(zé)將進(jìn)程的虛擬地址轉(zhuǎn)換為內(nèi)存的真實(shí)物理地址。如何管理這種映射關(guān)系呢？?jī)?nèi)核中為每個(gè)進(jìn)程分配了進(jìn)程頁(yè)表。對(duì)應(yīng)下圖可以看到，只有正在使用的虛擬地址空間才會(huì)真正分配到物理頁(yè)框；同時(shí)對(duì)于內(nèi)核空間地址映射對(duì)于不同進(jìn)程物理地址一樣。
進(jìn)程地址映射
上圖中不同進(jìn)程映射到物理內(nèi)存使用到了TLB表（地址變換高速緩存），流程為：CPU獲取數(shù)據(jù)或指令：獲取進(jìn)程頁(yè)表，拿到物理地址；訪問(wèn)內(nèi)存物理地址拿到真實(shí)數(shù)據(jù)。每次執(zhí)行指令，先從TLB表中獲取，如果未命中，則從內(nèi)存中獲取，同時(shí)根據(jù)LRU方法更新TLB表。這里提一下，LRU更新方法在很多地方都用得到，像CDN頁(yè)面緩存、CPU cache緩存等，如何消除cache顛簸的影響，是另一個(gè)話題。局部性原理：時(shí)間及空間局部性，即CPU訪問(wèn)某個(gè)邏輯地址的數(shù)據(jù)時(shí)，大概率會(huì)繼續(xù)訪問(wèn)該虛擬地址相鄰的地址。因此為了保證cache的命中率，一般CPU采用多級(jí)流水線設(shè)計(jì)，將預(yù)取指令及相鄰的地址空間存放至TLB表中。
每個(gè)核都有自己的TLB，由MMU內(nèi)存管理單元模塊執(zhí)行，流程為：CPU發(fā)送執(zhí)行進(jìn)程的虛擬地址給MMU模塊，MMU對(duì)應(yīng)的硬件電路獲取TLB表物理地址并訪問(wèn)數(shù)據(jù)。如果進(jìn)程使用了4G虛擬地址，那么所需要的頁(yè)表項(xiàng)條目為：4G/4K=1M
每個(gè)頁(yè)表項(xiàng)為4Byte，因此進(jìn)程頁(yè)表占據(jù)了4M物理內(nèi)存空間。這種狀態(tài)下可以使用多級(jí)頁(yè)表減少內(nèi)存占用，且可以離散存儲(chǔ)。
使用malloc分配16k空間，這16k不會(huì)立即占用16k真實(shí)內(nèi)存，而是采用寫(xiě)時(shí)復(fù)制的方式使用。如果物理內(nèi)存已經(jīng)寫(xiě)滿數(shù)據(jù)怎么辦（可能被多個(gè)進(jìn)程占用）？這個(gè)時(shí)候就繼續(xù)使用上面提到的LRU方式進(jìn)行頁(yè)表置換。置換過(guò)程中會(huì)將換出的頁(yè)表真實(shí)寫(xiě)入磁盤(pán)中，一般由daemon守護(hù)進(jìn)程完成。
前面使用malloc分配空間之后，linux內(nèi)核并未真正給該進(jìn)程分配物理頁(yè)，如果對(duì)該地址進(jìn)行寫(xiě)動(dòng)作，會(huì)由MMU觸發(fā)缺頁(yè)中斷，這時(shí)進(jìn)入內(nèi)核終端處理程序，將數(shù)據(jù)從磁盤(pán)加載至內(nèi)存。
CPU尋址流程
下面總結(jié)一下CPU尋址流程：CPU將進(jìn)程虛擬地址通過(guò)地址總線發(fā)送給MMU，由MMU硬件電路轉(zhuǎn)換成物理地址，然后通過(guò)數(shù)據(jù)總線訪問(wèn)內(nèi)存獲取數(shù)據(jù)。
1、CPU發(fā)送虛擬地址，MMU查詢(xún)自身TLB表，如果命中：根據(jù)物理地址訪問(wèn)數(shù)據(jù)頁(yè)；如果不命中，通過(guò)cr3寄存器取出進(jìn)程頁(yè)表物理地址訪問(wèn)進(jìn)程頁(yè)表。2、這里訪問(wèn)進(jìn)程頁(yè)表先是從Cache中獲取緩存頁(yè)框，如果Cache命中：從Cache中獲取得到物理地址，更新TLB表。如果不命中，直接訪問(wèn)內(nèi)存頁(yè)表。3、進(jìn)程頁(yè)表保存了進(jìn)程使用過(guò)程中所有的虛擬地址對(duì)應(yīng)的表項(xiàng)，因此通過(guò)頁(yè)表地址偏移可直接獲取到頁(yè)表項(xiàng)，并更新至Cache中。4、繼續(xù)第一步，MMU從Cache中獲取頁(yè)表項(xiàng)，并查看虛擬地址是否已分配物理頁(yè)框。若分配，則使用LRU算法更新TLB表并通過(guò)內(nèi)存物理地址訪問(wèn)數(shù)據(jù)；若沒(méi)分配物理頁(yè)框，則觸發(fā)Page Fault缺頁(yè)中斷，進(jìn)入并執(zhí)行中斷接管程序。5、中斷處理程序?yàn)榘l(fā)送的虛擬地址分配真實(shí)物理頁(yè)框，如果內(nèi)存數(shù)據(jù)已滿，根據(jù)LRU算法淘汰最久未用的頁(yè)面，置換磁盤(pán)的進(jìn)程映像至物理頁(yè)框，并更新進(jìn)程頁(yè)表。（用戶空間的缺頁(yè)中斷還會(huì)判斷是否非法訪問(wèn)等權(quán)限校驗(yàn)，這里不展開(kāi)）6、中斷處理程序返回，CPU獲取執(zhí)行權(quán)，繼續(xù)執(zhí)行指令。獲取到了物理地址，根據(jù)物理地址獲取實(shí)際數(shù)據(jù)流程為：MMU通過(guò)物理地址查詢(xún)Cache，如果緩存命中，CPU直接獲取Cache中數(shù)據(jù)并繼續(xù)執(zhí)行；如果不命中，那么根據(jù)物理地址獲取內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，硬件電路將物理頁(yè)框存入Cache中，CPU從Cache中獲取數(shù)據(jù)。
理想狀態(tài)下，當(dāng)進(jìn)程局部性較高時(shí)，如執(zhí)行while循環(huán)，MMU獲取TLB表命中拿到物理地址，通過(guò)物理地址訪問(wèn)Cache命中拿到真實(shí)數(shù)據(jù)。
具體示例代碼分析代碼數(shù)據(jù)流及執(zhí)行流char* ptr =malloc(1*1024*1024); //1、分配內(nèi)存memcpy(ptr, 'a',10); //2、寫(xiě)入數(shù)據(jù)ptr[100] = 'b'; //3、賦值
第一行：char* ptr =malloc(1*1024*1024);假定malloc分配的虛擬地址是0x00000040，表示【0x00000040-0x00100040】這1M進(jìn)程虛擬空間被分配成功。接下來(lái)我們看一下進(jìn)程頁(yè)表情況。0x00000040 -> 64
0x00100040 -> 1048640
也就是這段虛擬空間占了1048576塊頁(yè)表項(xiàng)。這里注意，如果是一級(jí)頁(yè)表，不管有沒(méi)有執(zhí)行malloc，這些頁(yè)表項(xiàng)都存在，但如果是多級(jí)頁(yè)表，只有真實(shí)訪問(wèn)數(shù)據(jù)的時(shí)候這些頁(yè)表才會(huì)占用物理內(nèi)存空間。接下來(lái)計(jì)算頁(yè)號(hào)和頁(yè)內(nèi)偏移：起始地址虛擬頁(yè)號(hào)：64/（4*1024）= 0，頁(yè)內(nèi)偏移為64%（4*1024）= 0x40；結(jié)束地址虛擬頁(yè)號(hào)：1048640/（4*1024）= 256，頁(yè)內(nèi)偏移為1048640%（4*1024）= 0x40；
第二行：memcpy (ptr,'g', 10);根據(jù)ptr虛擬地址找到頁(yè)表項(xiàng)，發(fā)現(xiàn)并沒(méi)有分配物理頁(yè)框，觸發(fā)缺頁(yè)中斷后分配得到第100頁(yè)框。然后CPU將ptr對(duì)應(yīng)虛擬地址往后的10字節(jié)空間寫(xiě)為‘a(chǎn)’。這里說(shuō)一下，雖然進(jìn)程頁(yè)號(hào)對(duì)應(yīng)的物理頁(yè)框序號(hào)不一定相同，因?yàn)轫?yè)框大小為4k，所以虛擬地址在進(jìn)程頁(yè)號(hào)中的偏移等于映射的物理地址在物理頁(yè)框中的偏移。
CPU根據(jù)虛擬地址按照上一章的流程找到對(duì)應(yīng)物理地址，將第100物理頁(yè)框加載至Cache中，CPU將10字節(jié)’a’寫(xiě)入Cache。
根據(jù)局部性原理，這里訪問(wèn)的就是同一個(gè)虛擬地址附近的數(shù)據(jù)，因此TLB和Cache都命中。可以看到，進(jìn)程在執(zhí)行malloc時(shí)是將物理頁(yè)框直接分配給虛擬地址，里面的初始數(shù)據(jù)有內(nèi)存的電氣特性決定，是隨機(jī)值，因此maoolc出來(lái)的空間使用前需要賦值或者執(zhí)行初始化操作。
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