内存管理【Linux操作系统】

简单谈一下物理内存管理

页框

操作系统管理（使用）物理内存的基本单位是页框【就是一个物理内存块，一般4kb大小】
为什么一般是4kb大小？
因为计算机科学家研究出4kb效率最高

就像操作系统文件管理时，使用磁盘空间的基本单位也是数据块（一般也是4kb）一样

所以磁盘中的数据加载到物理内存，就非常方便了，只需要对应的数据块中的内容，加载到对应页框里面就行了

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为什么要把物理内存划分成一个一个固定大小的页框使用？

而不是需要多少，就分配多少？

• ①硬件支持与地址转换
  • MMU 与页表机制：
    现代 CPU 的内存管理单元（MMU）通过页表将虚拟地址转换为物理地址，而这一过程必须以固定大小的页（如 4KB、2MB、1GB）为基本单位。操作系统必须遵循硬件的这一设计，否则无法高效完成地址转换
  • TLB 缓存效率：
    缓冲器（TLB）缓存虚拟页到物理页框的映射。若内存分配不以页为单位，TLB 的命中率会大幅下降，导致性能急剧降低

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• ②为了提高物理内存的使用率，减少内存碎片
  如果是一个一个小块地使用物理内存，那么使用物理内存时，一次最多浪费一个页框的物理内存
  即最多只会出现内部碎片（即一个页框内部没有存满数据还有空隙），不会出现外部碎片（分散的小块内存难以合并）
  • 1.如果申请的物理内存很小，那么给它一个页框就够了
  • 2.如果一次申请的物理内存很大，那么给就给它n个页框，前n-1个页框一定是全部存满数据的，第n个页框可能存不满，但就算只存了一个比特位的数据又怎样
    也就浪费一个页框而已，后续使用完成之后，回收非常方便

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• ③.为了提高内存管理效率
  • 元数据开销：
    操作系统需要记录内存的分配状态（如空闲或占用）
  • 分配/释放速度：
    以页为单位分配内存，操作系统只需操作页表或空闲页链表修改一下标志位，复杂度为 (O(1))；而随机大小的内存块管理需要遍历更复杂的结构，效率低下

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• ④ 磁盘 I/O 的协同设计
  • 页缓存对齐：
    Linux 将文件数据缓存在内存中，缓存的单位是页（4KB），与磁盘块（Block，通常为 4KB）对齐。
    这使得：
    内存和磁盘的数据交换效率更高（减少读写次数）

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对页框进行描述

操作系统中存在非常多的页框，每个页框的使用情况，属于谁，是否要释放等等信息操作系统都要知道
所以操作系统一定要管理页框

为了描述页框，操作系统内定义了：struct page
因为页框的个数很多，所以struct page结构体变量也很多
所以一个struct page对象的大小要尽可能的小，一般不到40字节

注意：
因为页框是物理内存块，而且页框是操作系统开机之后就一直存在的，所以描述页框的struct page也是一直存在，不会被释放的，除非操作系统关机

struct page里面我们需要关注的成员变量

• ①unsigend long flags：位图标志位，记录了各种各样的标志，描述页框的状态
  其中就有一个：表示该页框是否被使用
  所以释放（申请）物理内存（页框），就只需要改对应页框的标志位就可以了

• ②int _mapcount：引用计数，表示该页框被多少个进程使用
  可以用于实现写时拷贝
  比如：
  子进程继承父进程的结构体的时候，因为结构体对象都是存储在物理内存中的，所以增加一下引用计数即可

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对页框进行组织管理

操作系统中是，把struct page结构体变量放进类似于数组的数据结构中进行组织的

所以每一个struct page就有了下标，每一个页框就有了编号
更重要的是：
每个页框有了编号的话，那么物理地址就有了

因为
如果页框号为0的页框的起始物理地址为0，页框又是连续存放的，而且页框大小都输固定的（一般都是4kb）
所以
页框号为n的页框的起始地址=n*4*1024（4kb=4*1024字节）

所以：

• ①我们只要有页框号就知道页框的起始物理地址

• ②只要有物理地址，物理地址/4kb，再取整就能得到页框号，就能找到对应的页框

所以我们只要找到struct page结构体变量（page里面记录了自己的下标），就可以找到它对应的页框
所以进程使用物理内存，只需要记录对应的n个struct page的地址就行了

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存放所有struct page结构体变量的数组也是存储在物理内存中的
操作系统里面定义了一个全局的指针指向这个数组的起始地址
这样在操作系统的任何地方，就都可以很方便地找到每一个struct page，就可以知道每一个页框的使用情况

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虚拟地址→物理地址（真实的页表）

真实的页表

我们之前说：
页表里面的页表项是直接左边存储虚拟地址，右边存储物理地址
但是这样其实是不行的，因为这样空间消耗太大了
如果全部的虚拟地址和物理地址都建立映射，那么就要花费至少真实的物理地址总大小的16倍的内存（因为一个字节就有一个地址，一个地址至少占4字节）
就算一个进程映射不完，但是我们现在的一些3A游戏运行时，占的内存也有7-8G，物理内存光放页表都放不下来

所以
真实的页表是：
[以32位操作系统的页表为例]

• 一个进程有一个对应的页目录，一个页目录里面一共1024个页目录项
  页目录项里面存储的是某个页表的起始物理地址

• 一个页表里面也一共有1024个页表项，页表项里面存储的是，某个页框的起始物理地址

所以一个真实的“页表”的大小最大只需要： 4*4 *1024 * 1024=16MB
因为这个就可以把整个物理内存的物理地址全部映射完

但是，一个进程可能使用全部都物理地址（内存）吗？
不可能！！！
所以其实肯定不可能页目录表里面的1024个页表全部都被使用，所以真实页表的大小一般远小于16MB

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那我们如何把虚拟地址→物理地址呢？

32位平台下，一个地址占4个字节，32个比特位
所以：

• ①虚拟地址的前（从左→右）10个比特位，存储的就是页目录表的下标，用于在页目录里面指定，要用那个页目录表项，就找到了页表[因为1024=2^10]

• ②虚拟地址的中间10个比特位，存储的就是页表的下标，用于在页表中指定，要用那个页表项，就找到了页框

• ③虚拟地址最后12个比特位，就是表示相对于对应的页框的起始物理地址的偏移量[因为2^12=4096=4kb]

这样虚拟地址就可以转换成物理地址了

所以上面的映射说明，虚拟地址和物理地址其实有一定的关系？
其实没有，虚拟地址和物理地址建立映射之前，没有任何联系，它们之间是完全解藕的
只有映射了之后，才通过上面说的结构有了联系

那为什么上面的结构能够映射呢？

• 那是因为编译器编译形成可执行文件的时候，就已经进行了虚拟地址的编址，所以可执行程序的代码和数据，加载到物理内存时也是以4kb为单位的

• 所以加载时，就随意加载到哪个页框，只要得知这个页框的起始物理地址即可，因为代码/数据加载到了页框，所以页框的起始物理地址就有了对应的虚拟地址了

• 再根据页框的起始物理地址对应的虚拟地址的中间10位，先创建（查找）一张页表，再把页框起始物理地址，填充到页表对应的页表项里

• 再根据可执行文件编好的虚拟地址填充，把页表的物理地址填充到对应的（即页目录里面不一定是从0→1023连续填充的，可能隔开）页目录的下标中

• 所以建立虚拟地址和物理地址一开始加载代码和数据时，建立映射的时候是填充页表→填充页目录表，当然如果懒加载了也没问题
  就算只加载进程的入口函数（一般是_start函数）的地址，也没事
  因为如果MMU硬件顺着虚拟地址找到的物理地址还没填充数据，那直接填充不就行了

所以
一般情况下，虚拟地址和物理地址的映射，在程序加载到内存时，就已经建立好了
如下图

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页表懒加载时，如何确定虚拟地址对应的物理地址是否已经准备好了？

页表懒加载
即进程加载代码和数据的时候，不一定运行了就会把所有的代码和数据加载进来
只要能够在需要的时候，能及时加载进来就可以了
即：
如何知道虚拟地址对应的物理地址中，有没有需要的数据呢？
如果懒加载（以进程最开始的为例，运行过程中懒加载也是类似）：

• 那就是拿着进程PCB中存储的入口函数（_start函数）的虚拟地址，创建页目录表，再创建一张页表

• 再根据前10比特位，把页表起始物理地址填充到页目录表的指定下标位置

• 再根据中间10比特位，查询页表
  但是不填充具体页框的物理地址，而是直接填nullptr（至少前20比特位为全0，因为可能顺便设置页表标志位）

• 这样运行进程时，MMU查找到页表时，发现是页框地址是nullptr，那就是这个页框的代码和数据还没有准备好，自然就触发缺页中断了

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综上：

• 硬件上：物理内存是没有权限控制的（即谁都可以读写）只要知道物理地址就能读写
• 软件上：物理内存才有权限控制，所以物理内存的权限控制是软件做的

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真实的页表中的标志位

页表的标志位如何保存？

32位下真实的页表是：
页目录表里面存了1024张页表的起始地址，一个页表里面存了1024个页框的起始物理地址

但是我们之前不是还说过，页表里面有标志位，来进行权限管理之类的操作吗？

如果我们细心观察就会发现：
所有的页框的起始物理地址的最低的12个比特位都是0
因为2^12=4096=4kb
而且每个页框的大小都是4kb，所以其实每个页框的起始物理地址都是4kb的整数倍
所以最低的12个比特位是用来存储：从0到4095的
例如：
第一个页框的起始物理地址为全0
第二个页框的起始物理地址为
00000000000000000001000000000000
第3个页框：
00000000000000000010000000000000
…

而
页表里面的页表项只存储页框的起始物理地址
那我们可不可以利用这空的12个比特位，来存储页表的相关标志位呢？

如下图，就是Linux操作系统中页表实现的一部分

因为页表项和页目录项的数据类型是
unsigned long
所以页表和页目录表本质就是元素为unsigned long类型的数组

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什么时候对页表的标志位进行初始化？

可执行文件加载到内存的时候！！！
因为编译器编译形成可执行文件的时候，就已经分好了数据节了
而数据节就已经有权限位了
只要加载进来就可以直接初始化！！！

查页表的标志位和权限位，看是否有权限，也是MMU硬件在虚拟地址→物理地址时做的
所以如果因为权限位/标志位（修改代码区，懒加载导致的需要的代码数据还没加载到内存等问题）
导致地址转换失败，本质就是CPU运算出错（因为MMU就是CPU的一部分）
CPU就会在状态寄存器中打上对应的标志位，在合适的时候触发软中断切换到操作系统给进程发送中断信号

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缺页中断相关问题

产生缺页中断的情况就是：尝试访问的页框中的数据不在物理内存中
（注意：野指针/权限错误不叫缺页中断，它们是错误）

• ①因为懒加载的原因，虚拟地址找到的页表中还没有存放对应页框的起始物理地址（存的是nullptr）

• ②因为内存不足时，挂起导致的进程一部分代码和数据换出（本质就是对应页框中的数据换出），此时虚拟地址找到的页表指向的是换出的页框，页表项中有页框的起始物理地址，但是没有代码和数据

所以有了缺页中断
new和malloc的时候，其实就只需

• ①申请并填充vm_aere_struct节点
• ②填充页目录项和对应的页表项
• ③存放在页表中的页框的起始物理地址为全0
• ④是否命中的标志位置为0

进程申请物理内存要做的操作都是与上面类似的
为什么这么做？

• 1.这样就在申请了但还没使用的区间中，暂时性的节省物理内存
  要使用时缺页中断就可以了

• 2.进程只管自己的进程地址空间和页表，物理内存的操作都归操作系统管理
  这样就把进程管理和内存管理解藕了

同理未初始化的虚拟内存块（变量，数组等）也和还没被使用的new出来的空间一样，还没有真正与之对应的物理内存块

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那么操作系统是如何区分越界访问和缺页中断的呢？

因为虚拟地址触发越界访问和缺页中断时，都是虚拟地址与对应的物理地址还没有真正建立映射

其实很简单：就是代码和数据的范围
因为进程地址空间中，真正有虚拟和物理地址映射的虚拟内存区域都在vm_area_struct链表里面存着
操作系统通过vm_area_struct至少也大概知道（因为不可能真去遍历链表）进程的代码和数据的范围
所以不在这个链表节点范围的肯定就是越界访问了

具体细节：
在Linux中，当进程访问虚拟地址时，若未找到对应的数据或代码，操作系统通过以下机制区分是野指针（无效地址）还是缺页错误（有效地址但数据未加载）：

1. 虚拟地址空间的合法性检查
   每个进程的虚拟地址空间由内核维护，包含多个映射区域（如代码段、堆、栈、共享库等）。这些区域通过vm_area_struct结构体描述，记录每个区域的起始地址、结束地址、权限（读/写/执行）等。
   当发生页错误（Page Fault）时，内核首先检查触发错误的虚拟地址是否属于某个已存在的vm_area_struct区域：
   合法地址：若地址在某个区域范围内，说明是有效地址，可能是缺页错误或权限错误。
   非法地址：若地址不在任何区域范围内，直接判定为野指针访问，触发SIGSEGV信号（段错误），进程通常终止。

2. 页表项（Page Table Entry, PTE）状态分析
   若地址合法，内核进一步检查页表项（PTE）的状态：
   页面未加载（缺页错误）：
   PTE的**存在位（Present Bit）**为0，但地址对应的区域有效（如文件映射、匿名内存或交换空间）。
   内核会尝试从磁盘（如交换分区或文件）加载页面到物理内存，并更新页表。
   权限错误：
   PTE存在（Present Bit=1），但操作违反权限（如写只读页）。
   触发SIGSEGV信号（例如尝试修改代码段的只读页）。

3. 错误类型的最终判定
   野指针：地址不在任何vm_area_struct区域 → SIGSEGV。
   缺页错误：地址合法且属于某个区域，但页面未加载 → 触发页面调度（Page-in）。
   权限错误：地址合法但操作违反权限 → SIGSEGV。

4. 内核处理流程（简化版）
   Page Fault发生
   ↓
   CPU将错误地址和原因（读/写/执行）传递给内核
   ↓
   内核检查地址是否在进程的vm_area_struct链表中
   ├─ 不在 → 触发SIGSEGV（野指针）
   └─ 存在 → 检查PTE状态
   ├─ 页面未加载（Present Bit=0）→ 调入页面（缺页处理）
   └─ 权限错误 → 触发SIGSEGV

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总结

• 野指针：访问未映射的虚拟地址 → 内核直接终止进程。
• 缺页错误：访问已映射但未加载的地址 → 内核透明加载数据，进程无感知。
• 权限错误：访问合法地址但违反权限 → 内核终止进程。
  操作系统通过虚拟地址空间管理和页表状态分析，精准区分不同类型的错误，确保进程行为受控且内存访问高效安全。