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為什么要內(nèi)存管理：

早期的程序都是直接運(yùn)行在物理地址上，也就是說這個程序所需要的空間不超過該機(jī)器的物理內(nèi)存就不會有問題，但實(shí)際場景中都是多任務(wù)，多進(jìn)程的，這種物理地址reserved給各個進(jìn)程是不靠譜的。舉個栗子：假如有3個程序a,b,c，a需要10M，b需要100M，c需要20M，總內(nèi)存就120M，按照之前的分配方式，前10M給a，10M-110M給b，系統(tǒng)還剩10M，但是c需要20M，顯然剩下的內(nèi)存是不夠c用的。怎么辦?

1.效率問題

可能你會想到當(dāng)c程序跑的時候把b程序數(shù)據(jù)寫到磁盤上，等運(yùn)行b的時候再數(shù)據(jù)從磁盤寫回來，先不說無法滿足b,c程序并行跑的需求，就連頻繁的io操作帶來的耗時問題也是無法接收的。

2.進(jìn)程地址隔離問題

除了效率問題，reserved給進(jìn)程的空間如果需要被別的進(jìn)程訪問會出現(xiàn)崩潰。比如a進(jìn)程訪問的空間是前10M，但是a程序中有一段代碼訪問10-110M的話就有可能導(dǎo)致b程序的崩潰，所以進(jìn)程的地址空間需要彼此隔離。

3.重定位問題

現(xiàn)實(shí)場景中不可能是單任務(wù)在分好的內(nèi)存中運(yùn)行，當(dāng)多任務(wù)并行跑的情況下在動態(tài)申請釋放內(nèi)存的時候有可能申請到其它進(jìn)程里的地址，這時候需要重定位到新的地址。

內(nèi)存管理無非就是想辦法解決上面三個問題，如何提高內(nèi)存的使用效率?如何使進(jìn)程的地址空間隔離?如何解決程序運(yùn)行時的重定位問題?

內(nèi)存管理如何從虛擬地址映射到物理地址：

內(nèi)存管理從虛擬地址映射到物理地址的過程也就是解決上面3個問題的過程。內(nèi)存管理用分段機(jī)制和分頁機(jī)制分別解決了上面的3個問題，大概過程如下圖：

分段機(jī)制：

只要程序分了段，把整個段平移到任何位置后，段內(nèi)的地址相對段基址是不變的，無論段基址是多少，只要給出段內(nèi)偏移地址，cpu就能訪問到正確的指令。于是加載用戶程序時，只要將整個段的內(nèi)容復(fù)制到新的位置，再將段基址寄存器中的地址改成該地址，程序便可準(zhǔn)確地運(yùn)行，因?yàn)槌绦蛑杏玫氖嵌蝺?nèi)偏移地址，相對新的段基址，該偏移地址處的內(nèi)容內(nèi)容還是一樣的。

可以看出分段機(jī)制解決了進(jìn)程間隔離和重定位的問題。這個動作是在硬件里做的，但是有的硬件是沒有分段機(jī)制的，作為跨平臺的linux就用了具有更通用性的分頁機(jī)制來解決線性地址到虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換。

分頁機(jī)制：

可以參考《CPU是如何訪問內(nèi)存的?》了解一級頁表的概念，linux為了兼容32位和64位，通常采用四級頁表，頁全局目錄，頁上級目錄，頁中間目錄，頁表：

這里不詳細(xì)解釋linux是如何通過四級頁表來做線性地址(虛擬地址)到物理地址的轉(zhuǎn)化。網(wǎng)上有很多，推薦https://www.cnblogs.com/linhaostudy/p/10038100.html#autoid-2-2-0。

進(jìn)程在切換的時候就是根據(jù)task_struct找到mm_struct里的pgd字段，取得新進(jìn)程的頁全局目錄，然后填充到CR3寄存器，就完成了頁的切換。

動手看下mmu分頁尋址的過程：

上代碼：

#include  <linux/module.h>  
#include <linux/kernel.h>  
#include <linux/init.h>  
#include <linux/sched.h>  
#include <linux/pid.h>  
#include <linux/mm.h>  
#include <asm/pgtable.h>  
#include <asm/page.h> 
 
MODULE_DESCRIPTION("vitual address to physics address"); 
 
static int pid;  
static unsigned long va; 
 
module_param(pid,int,0644); //從命令行傳遞參數(shù)（變量，類型，權(quán)限） 
module_param(va,ulong,0644); //va表示的是虛擬地址 
 
static int find_pgd_init(void)  
{  
        unsigned long pa = 0; //pa表示的物理地址 
        struct task_struct *pcb_tmp = NULL;  
        pgd_t *pgd_tmp = NULL;  
        pud_t *pud_tmp = NULL;  
        pmd_t *pmd_tmp = NULL;  
        pte_t *pte_tmp = NULL; 
 
        printk(KERN_INFO"PAGE_OFFSET = 0x%lx\n",PAGE_OFFSET);  //頁表中有多少個項(xiàng) 
    /*pud和pmd等等  在線性地址中占據(jù)多少位*/ 
        printk(KERN_INFO"PGDIR_SHIFT = %d\n",PGDIR_SHIFT);  
    //注意：在32位系統(tǒng)中  PGD和PUD是相同的 
        printk(KERN_INFO"PUD_SHIFT = %d\n",PUD_SHIFT);  
        printk(KERN_INFO"PMD_SHIFT = %d\n",PMD_SHIFT);  
        printk(KERN_INFO"PAGE_SHIFT = %d\n",PAGE_SHIFT); 
 
        printk(KERN_INFO"PTRS_PER_PGD = %d\n",PTRS_PER_PGD); //每個PGD里面有多少個ptrs 
        printk(KERN_INFO"PTRS_PER_PUD = %d\n",PTRS_PER_PUD);  
        printk(KERN_INFO"PTRS_PER_PMD = %d\n",PTRS_PER_PMD); //PMD中有多少個項(xiàng) 
        printk(KERN_INFO"PTRS_PER_PTE = %d\n",PTRS_PER_PTE); 
 
        printk(KERN_INFO"PAGE_MASK = 0x%lx\n",PAGE_MASK); //頁的掩碼 
 
  struct pid *p = NULL; 
  p = find_vpid(pid); //通過進(jìn)程的pid號數(shù)字找到struct pid的結(jié)構(gòu)體 
  pcb_tmp = pid_task(p,PIDTYPE_PID); //通過pid的結(jié)構(gòu)體找到進(jìn)程的task  struct 
        printk(KERN_INFO"pgd = 0x%p\n",pcb_tmp->mm->pgd);  
               // 判斷給出的地址va是否合法(va&lt;vm_end) 
    if(!find_vma(pcb_tmp->mm,va)){  
                printk(KERN_INFO"virt_addr 0x%lx not available.\n",va);  
                return 0;  
        }  
        pgd_tmp = pgd_offset(pcb_tmp->mm,va);  //返回線性地址va，在頁全局目錄中對應(yīng)表項(xiàng)的線性地址 
        printk(KERN_INFO"pgd_tmp = 0x%p\n",pgd_tmp);  
    //pgd_val獲得pgd_tmp所指的頁全局目錄項(xiàng) 
    //pgd_val是將pgd_tmp中的值打印出來 
        printk(KERN_INFO"pgd_val(*pgd_tmp) = 0x%lx\n",pgd_val(*pgd_tmp));  
        if(pgd_none(*pgd_tmp)){  //判斷pgd有沒有映射 
                printk(KERN_INFO"Not mapped in pgd.\n");          
                return 0;  
        }  
        pud_tmp = pud_offset(pgd_tmp,va); //返回va對應(yīng)的頁上級目錄項(xiàng)的線性地址 
        printk(KERN_INFO"pud_tmp = 0x%p\n",pud_tmp);  
        printk(KERN_INFO"pud_val(*pud_tmp) = 0x%lx\n",pud_val(*pud_tmp));  
        if(pud_none(*pud_tmp)){  
                printk(KERN_INFO"Not mapped in pud.\n");  
                return 0;  
        }  
        pmd_tmp = pmd_offset(pud_tmp,va); //返回va在頁中間目錄中對應(yīng)表項(xiàng)的線性地址 
        printk(KERN_INFO"pmd_tmp = 0x%p\n",pmd_tmp);  
        printk(KERN_INFO"pmd_val(*pmd_tmp) = 0x%lx\n",pmd_val(*pmd_tmp));  
        if(pmd_none(*pmd_tmp)){  
                printk(KERN_INFO"Not mapped in pmd.\n");  
                return 0;  
        }  
        //在這里，把原來的pte_offset_map()改成了pte_offset_kernel 
        pte_tmp = pte_offset_kernel(pmd_tmp,va);  //pte指的是  找到表 
 
        printk(KERN_INFO"pte_tmp = 0x%p\n",pte_tmp);  
        printk(KERN_INFO"pte_val(*pte_tmp) = 0x%lx\n",pte_val(*pte_tmp));  
        if(pte_none(*pte_tmp)){ //判斷有沒有映射 
                printk(KERN_INFO"Not mapped in pte.\n");  
                return 0;  
        }  
        if(!pte_present(*pte_tmp)){  
                printk(KERN_INFO"pte not in RAM.\n");  
                return 0;  
        }  
        pa = (pte_val(*pte_tmp) & PAGE_MASK) ;//物理地址的計(jì)算方法 
        printk(KERN_INFO"virt_addr 0x%lx in RAM Page is 0x%lx .\n",va,pa);  
        //printk(KERN_INFO"contect in 0x%lx is 0x%lx\n",pa,*(unsigned long *)((char *)pa + PAGE_OFFSET)); 
 
        return 0; 
 
} 
 
static void __exit  find_pgd_exit(void)  
{  
        printk(KERN_INFO"Goodbye!\n"); 
 
} 
 
module_init(find_pgd_init);  
module_exit(find_pgd_exit); 
 
MODULE_LICENSE("GPL"); 

可以看出虛擬地址ffff99b488d48000對應(yīng)的物理地址是80000000c8d48000。這個過程也是mmu的過程。