內(nèi)存管理可以說(shuō)是一個(gè)比較難學(xué)的模塊，之所以比較難學(xué)。一是內(nèi)存管理涉及到硬件的實(shí)現(xiàn)原理和軟件的復(fù)雜算法，二是網(wǎng)上關(guān)于內(nèi)存管理的解釋有太多錯(cuò)誤的解釋。希望可以做個(gè)內(nèi)存管理的系列，從硬件實(shí)現(xiàn)到底層內(nèi)存分配算法，再?gòu)膬?nèi)核分配算法到應(yīng)用程序內(nèi)存劃分，一直到內(nèi)存和硬盤(pán)如何交互等，徹底理解內(nèi)存管理的整個(gè)脈絡(luò)框架。本節(jié)主要講解硬件原理和分頁(yè)管理。
CPU通過(guò)MMU訪問(wèn)內(nèi)存
我們先來(lái)看一張圖：
從圖中可以清晰地看出，CPU、MMU、DDR 這三部分在硬件上是如何分布的。首先 CPU 在訪問(wèn)內(nèi)存的時(shí)候都需要通過(guò) MMU 把虛擬地址轉(zhuǎn)化為物理地址，然后通過(guò)總線訪問(wèn)內(nèi)存。MMU 開(kāi)啟后 CPU 看到的所有地址都是虛擬地址，CPU 把這個(gè)虛擬地址發(fā)給 MMU 后，MMU 會(huì)通過(guò)頁(yè)表在頁(yè)表里查出這個(gè)虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址是什么，從而去訪問(wèn)外面的 DDR（內(nèi)存條）。
所以搞懂了 MMU 如何把虛擬地址轉(zhuǎn)化為物理地址也就明白了 CPU 是如何通過(guò) MMU 來(lái)訪問(wèn)內(nèi)存的。
MMU 是通過(guò)頁(yè)表把虛擬地址轉(zhuǎn)換成物理地址，頁(yè)表是一種特殊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，放在系統(tǒng)空間的頁(yè)表區(qū)存放邏輯頁(yè)與物理頁(yè)幀的對(duì)應(yīng)關(guān)系，每一個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)自己的頁(yè)表。
CPU 訪問(wèn)的虛擬地址可以分為：p（頁(yè)號(hào)），用來(lái)作為頁(yè)表的索引；d（頁(yè)偏移），該頁(yè)內(nèi)的地址偏移。現(xiàn)在我們假設(shè)每一頁(yè)的大小是 4KB，而且頁(yè)表只有一級(jí)，那么頁(yè)表長(zhǎng)成下面這個(gè)樣子（頁(yè)表的每一行是32個(gè) bit，前20 bit 表示頁(yè)號(hào) p，后面12 bit 表示頁(yè)偏移 d）：
CPU，虛擬地址，頁(yè)表和物理地址的關(guān)系如下圖：
頁(yè)表包含每頁(yè)所在物理內(nèi)存的基地址，這些基地址與頁(yè)偏移的組合形成物理地址，就可送交物理單元。
上面我們發(fā)現(xiàn)，如果采用一級(jí)頁(yè)表的話，每個(gè)進(jìn)程都需要1個(gè)4MB的頁(yè)表(假如虛擬地址空間為32位（即4GB）、每個(gè)頁(yè)面映射4KB以及每條頁(yè)表項(xiàng)占4B，則進(jìn)程需要1M個(gè)頁(yè)表項(xiàng)（4GB / 4KB = 1M），即頁(yè)表（每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)頁(yè)表）占用4MB（1M * 4B = 4MB）的內(nèi)存空間)。然而對(duì)于大多數(shù)程序來(lái)說(shuō)，其使用到的空間遠(yuǎn)未達(dá)到4GB，何必去映射不可能用到的空間呢？也就是說(shuō)，一級(jí)頁(yè)表覆蓋了整個(gè)4GB虛擬地址空間，但如果某個(gè)一級(jí)頁(yè)表的頁(yè)表項(xiàng)沒(méi)有被用到，也就不需要?jiǎng)?chuàng)建這個(gè)頁(yè)表項(xiàng)對(duì)應(yīng)的二級(jí)頁(yè)表了，即可以在需要時(shí)才創(chuàng)建二級(jí)頁(yè)表。做個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算，假設(shè)只有20%的一級(jí)頁(yè)表項(xiàng)被用到了，那么頁(yè)表占用的內(nèi)存空間就只有0.804MB（1K * 4B + 0.2 * 1K * 1K * 4B = 0.804MB）。除了在需要的時(shí)候創(chuàng)建二級(jí)頁(yè)表外，還可以通過(guò)將此頁(yè)面從磁盤(pán)調(diào)入到內(nèi)存，只有一級(jí)頁(yè)表在內(nèi)存中，二級(jí)頁(yè)表僅有一個(gè)在內(nèi)存中，其余全在磁盤(pán)中（雖然這樣效率非常低），則此時(shí)頁(yè)表占用了8KB（1K * 4B + 1 * 1K * 4B = 8KB），對(duì)比上一步的0.804MB，占用空間又縮小了好多倍！總而言之，采用多級(jí)頁(yè)表可以節(jié)省內(nèi)存。
二級(jí)頁(yè)表就是將頁(yè)表再分頁(yè)。仍以之前的32位系統(tǒng)為例，一個(gè)邏輯地址被分為20位的頁(yè)碼和12位的頁(yè)偏移d。因?yàn)橐獙?duì)頁(yè)表進(jìn)行再分頁(yè)，該頁(yè)號(hào)可分為10位的頁(yè)碼p1和10位的頁(yè)偏移p2。其中p1用來(lái)訪問(wèn)外部頁(yè)表的索引，而p2是是外部頁(yè)表的頁(yè)偏移。
