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主子和奴才
请想一个问题,内核本身也是程序要在内存运行, 用户程序一样也要在内存运行,大家都在一个窝里吃饭, 你凭什么就管我了.好像内核程序是主子,用户程序是奴才似的.
哎! 其实用户进程就是内核的一个个奴才, 被捏的死死的. 按不住奴才那这主子就不合格,就不是一个稳定系统. 请想想实际内存就这么点大, 如何满足众多用户进程的需求? 内核空间和用户空间如何隔离? 如何防止访问乱串? 如何分配/释放,防止碎片化? 空间不够了又如何置换到硬盘? 想想头都大了。内核这当家的主子真是不容易,这些都是他要解决的问题, 但欲戴其冠,必承其重.
先说如果没有内存管理会怎样?
那就是个奴才们能把主子给活活踩死, 想想主奴不分,吃喝拉撒睡都在一起,称兄道弟的想干啥? 没规矩不成方圆嘛，这事业肯定搞不大，单片机时代就是这种情况. 裸机编程,指针可以随便乱飞,数据可以随意覆盖,没有划定边界,没有明确职责,没有特权指令,没有地址保护,你还想像java开发一样,只管new内存,不去释放,应用可以随便崩但系统跑的妥妥的？想的美! 直接系统死机,甚至开机都开不了,主板直接报废了. 所以不能运行很复杂的程序,尽量可控,而且更是不可能支持应用的动态加载运行. 队伍大了就不好带了,方法得换, 游击队的做法不适合规模作战，内存就需要管理了，而且是 5A级的严格管理。
内存管理在管什么?
简单说就是给主子赋能,拥有超级权利,为什么就他有? 因为他先来,掌握了先机.它定好了游戏规则,你们来玩.有哪些游戏规则?
第一: 主奴有别,主子即是裁判又是运动员,主子有主子地方,奴才们有奴才们待的地方,主子可以在你的空间走来走去,但你只能在主人划定的区域活动.奴才把自己玩崩了也只是奴才狗屁了, 但主人和其他人还会是好好的. 主子有所有特权，比如某个奴才太嚣张了，就直接拖到午门问斩。
第二: 奴奴有分,奴才们基本都是平等的，虽有高级和低级奴才区分，但本质都是奴才。奴才之间是不能随意勾连,登门问客的，防止一块搞政变. 他们都有属于自己的活动空间,而且活动空间还巨大巨大，大到奴才们觉得整个紫荆城都是他们家的，给你这么大空间你干活才有动力，奴才们是铆足了劲一个个尽情的表演各种剧本，有玩电子商务的，有玩游戏的，有搞直播的等等。。。不愧是紫荆城的主人很有一套，明明只有一个紫禁城，硬被他整出了N个紫荆城的感觉。而且这套驾奴本领还取了个很好听的名字叫：虚拟内存。看图：
这是整个紫荆城的全貌图，里面的内核虚拟空间是主人专用的，里面放的是主人的资料，数据，奴才永远进不去，kernel heap 也是给主人专用的动态内存空间，管理奴才和日常运作开销很多时候需要动态申请内存，这个是专门用来提供给主人使用的。而所有奴才的空间都在叫用户空间的那一块。你没看错，是所有奴才的都在那。当然实际情况是用户空间比图中的大的多，因为主人其实用不了多少空间，大部分是留给奴才们干活用了，因为篇幅的限制笔者把用户空间压缩了下。 再来看看奴才空间是啥样的。看图
这张图是第一张图的局部用户空间放大图。里面放的是奴才的私人用品，数据，task运行栈区,动态分配内存的堆区，堆区自下而上，栈区自上而下中间由映射区(L1,L2表)隔开。这么多奴才在里面不挤吗？答案是：真不挤 。主人手眼通天，因为用了一个好帮手解决了这个问题，这个帮手名叫 MMU（李大总管）
MMU是干什么事的？
看下某度对MMU定义：它是一种负责处理*处理器（CPU）的内存访问请求的计算机硬件。它的功能包括虚拟地址到物理地址的转换（即虚拟内存管理）、内存保护、*处理器高速缓存的控制。通过它的一番操作，把物理空间成倍成倍的放大，他们之间的映射关系存放在页面中。
好像看懂又好像没看懂是吧，到底是干啥的？其实就是个地址映射登记中心。记住这两个字：映射 看下图
物理内存可以理解为真实世界的紫禁城，虚拟内存就是被MMU虚拟出来的比物理页面大的多的空间。举例说明大概说明下过程：
有A(厨师)，B(文艺青年) 两个奴才来到紫禁城，每个人都很有抱负，主子规定要先跑去登记处登记活动范围，领回来一张表 叫 L1页表，上面说了大半个紫禁城你可以跑动，都是你的，L1页表记录你每个房间的编号。其实奴才们的表都一样，能跑的范围也都一样。 李大总管也有一张私人表叫TLB表,具体玩的呢,看个例子就明白了.
举例说明
TLB表(李总管的私人表)
| 真实房间 | 当前谁在用 |
|---|---|
| 7 | A |
| 8 | C |
| 9 | B |
| 李大总管的私人表叫 TLB（translation lookaside buffer）可翻译为“地址转换后援缓冲器”，也可简称为“快表”。从TLB表可以看出,有三个真实的房间, 7,8,9,目前是分配给了A,B,C使用. |
奴才们的L1页表(当然可以有无数的奴才表,每个奴才人手一张)
| 虚拟房间 | 真实房间 | 作用 | |
|---|---|---|---|
| A奴才 | 1 | 7 | 厨房拿菜 |
| A奴才 | 2 | 8 | 洗手间 |
| A奴才 | 3 | 9 | 卧室 |
| 虚拟房间 | 真实房间 | 作用 | |
|---|---|---|---|
| B奴才 | 3 | 8 | 音乐室 |
| B奴才 | 1 | 9 | 美术室 |
| B奴才 | 2 | 7 | 武术室 |
再模拟一个他们的活动场景:
| 奴才 | 动作1 | 动作2 | 动作3 | 动作4 |
|---|---|---|---|---|
| A | 厨房拿菜 | 卧室睡觉 | 上洗手间 | 无 |
| B | 武术室 | 美术室 | 无 | 音乐室 |
第一: A要去1号间厨房拿菜,提交表给李总管,李总管拿表和自己的表对照,发现1号虚拟房间对应的是7号真实房间,7号刚好分配给了A用,盖章同意.A拿到了自己菜.
| 真实房间 | 当前谁在用 |
|---|---|
| 7 | A |
| 8 | C |
| 9 | B |
此时李总管的表没变化. 第二: B要去2号间练武术,提交表给李总管,李总管拿表和自己的表对照,发现1号虚拟房间对应的是7号真实房间,7号是A在用,不属于B,里面放的都还是菜呢,咋办?简单,把菜挪出去,把B奴才的武术设备装进来,更改自己的表变成了
| 真实房间 | 当前谁在用 |
|---|---|
| 7 | B |
| 8 | C |
| 9 | B |
此时李总管的表变了,三个真实房间B用了两个了. 第三: A要去3号间睡觉了,又提交表给李总管,李总管拿表和自己的表对照,发现3号虚拟房间对应的是9号真实房间,9号刚好分配给了B用了,此时里面放的还是美术用品呢.咋办?简单,挪出去,把A奴才的睡觉设备装进来,再更改自己的表变成了
| 真实房间 | 当前谁在用 |
|---|---|
| 7 | B |
| 8 | C |
| 9 | A |
此时李总管的表变了,9号给了A了,而8号一直在C手里,因为过程中没人用到了8号房.但继续跑下去肯定会易主.
明白了吗? 这就是 映射的核心思想! 对A,B来说,它们只认 1,2,3房间,记得自己的房间是干什么用的就行,完全不必知道背后的7,8,9是谁在用, 用房间之前提交表单就行了,后面的不用管. 而且各自1,2,3可以重新映射到不一样的房间, A,B映射是完全独立的,看清没有它们的123对应的可不都是789的顺序.
上面的1,2,3就叫虚拟地址,也叫线性地址. 而789就是物理地址. 如此只有三个房间都可以给很多很多的奴才使用,让他们觉得这三个房间都是自己的. 完美!!! 当然AB也可以有自己虚拟地址789,例如:
| 虚拟房间 | 真实房间 | 作用 | |
|---|---|---|---|
| A奴才 | 1 | 7 | 厨房拿菜 |
| A奴才 | 2 | 8 | 洗手间 |
| A奴才 | 3 | 9 | 卧室 |
| A奴才 | 7 | 19 | 洗澡 |
| A奴才 | 8 | 88 | 去皇上寝宫偷看 |
| A奴才 | 9 | 45 | 御膳房 |
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