Linux虚拟内存和物理内存

Linux操作系统采用虚拟内存技术，将物理内存和磁盘空间组合起来，形成了一种可以更高效地利用内存的方式。在本篇攻略中，我们将会深入探讨Linux虚拟内存和物理内存的相关知识。下面分别介绍一下。

Linux物理内存

Linux物理内存是指计算机实际的内存存储硬件，它直接映射到CPU指定的内存地址空间中。Linux中对物理内存最基本的操作是对内存的分配和释放。Linux为物理内存的分配和释放提供了一系列的函数，包括kmalloc()和kfree()。在Linux内核中，使用两个数据结构来管理物理内存：页表和页面。

• 页表：页表是用于管理物理内存和虚拟内存之间映射的数据结构，每个进程都有一个独立的页表。页表中包含了许多页表项，每个页表项用于描述一个物理页面与一个虚拟页面之间的映射关系。Linux内核使用“二级页表”方式管理物理内存，即每个进程有一个一级页表和多个二级页表，结合起来可以描述整个进程地址空间。

• 页面：页是内存管理的基本单位，Linux内核中一个页面的大小通常是4KB。Linux系统中的空闲页面都由一个“空闲页面列表”进行维护，这个列表中包含了所有当前没有任何进程使用的页面。

当进程需要内存时，会向内核发出申请内存的请求，内核通过空闲页面列表来分配页面。如果没有足够的空闲页面，内核就会从交换区或者磁盘上分配一些页面，然后映射到进程的虚拟地址空间，这就是Linux虚拟内存。

Linux虚拟内存

Linux虚拟内存是指一种能够将虚拟地址转变成物理地址的机制，其最基本的实现是通过页表的方式完成。虚拟内存是基于虚拟地址的，这使得进程可以访问超出物理内存大小的内存空间。

在Linux中，虚拟地址空间通常被分为两部分：内核空间和用户空间。

• 内核空间：用户程序无法直接访问内核空间，这部分空间是为操作系统内核和操作系统模块服务的，一般情况下只能被内核访问。

• 用户空间：用户程序可以直接访问用户空间。

Linux虚拟内存的实现过程主要分为以下几个步骤：

1. 为进程分配虚拟内存。在Linux中，进程的虚拟空间通常是连续的，并被分为若干个区间。这些区间可以包括代码段、数据段、栈、堆等。

2. 程序访问虚拟内存。当进程访问虚拟内存时，Linux内核实际上都会通过页表来将虚拟地址转换成物理地址。

3. 内存分页。当进程需要访问一个不存在于物理内存中的页面时，Linux内核就会进行内存分页操作。它会将该页面从磁盘上读取到物理内存中，并将该页面地址存储在页表中，以便下一次访问的时候可以快速地找到。

4. 页面置换。当物理内存不足时，Linux内核通过一些算法将一些不常用的页面从物理内存中移除，这就是页面置换。

总的来说，Linux虚拟内存的主要功效就在于，它能够让进程感觉到自己有非常大的内存空间，而不会被物理内存大小的限制所限制。但是，由于虚拟内存都需要通过物理内存实现，所以虚拟内存的使用可能会导致内存过度分页，这会显著地影响系统的性能。

举个例子，如果一个进程需要读取一个大文件，Linux虚拟内存的实现方式就需要将这个文件映射到进程的虚拟内存空间中，这样进程就可以像访问内存一样读取文件内容了。文件访问的过程中，如果进程要读取的内容占用了上百兆的内存空间，但在物理内存中只有十几兆的空余空间，这时就需要把这部分内容从物理内存转移到交换区中。交换区中的内容访问速度较慢，因此当这部分内容再次被需要访问时，就会导致较大的延迟。如果操作系统调度的进程较多，导致物理内存不够用，就需要对内存行进替换，这具有一定的开销。

以上就是Linux虚拟内存和物理内存的完整攻略，如有不妥之处还请指正。