今天还有时间，之前一直想抽时间来写写Linux内核原理相关的东西，关注点不在代码，而在于内在的原理和机制，让大家对Linux内核有个总体的感性认识，个人认为这很有必要，把看似复杂、深不可测的内核实现，用大家都能理解的方式，用讲故事的方式，讲给大家听，如果有人听后，有原来不过如此的感觉，那我的目的就达到了。

#　内存管理

从哪里开始呢？还是从最基础的内存管理开始吧。

内存管理是Linux内核中最基础，也是相当重要的部分。理解相关原理，不管是对内存的理解，还是对大家写用户态代码都很有帮助。很多书上、很多文章都写了相关内容，但个人总觉得内容太复杂，不是太容易理解，这里想用我自己理解的简单的方式来描述，希望能有所帮助，按自己的思路，可能有点乱，见谅。

从内存分配开始

大家写代码时，应该都会分配内存，不同语言，层次不同，使用的接口不同，不管使用哪种方式，在Linux系统中，基本上都会调用到C库的malloc接口，那就从malloc分配内存开始。

malloc就是用于分配一段内存，但这里分配到的内存并非物理内存，而是虚拟内存，这里没有严格区分虚拟地址、线性地址之类的概念，只会给大家添负担，也不深入讲述物理内存和虚拟内存的概念，书上通常有大量的篇幅介绍，大家可以简单这样理解：

  • 虚拟内存就是从进程的角度看，逻辑上的概念，并不实际存在；

  • 物理内存就对应物理上内存条上的内存；

  • 虚拟内存和物理内存有对应关系；
  • 虚拟内存分配时，相应的物理内存还没有分配；

既然虚拟内存并不实际存在，那么分配来有何用处呢，如果要向其中写数据，数据如何写入呢？会写到哪里去呢？

当然，内存分配后就是拿来用的，如果不能用(比如写数据)，那就没有意义了。前面说的虚拟内存和物理内存有对应关系，当分配虚拟内存时，相应的物理内存还没有分配，这里有几个关键问题：

  1. 虚拟内存和物理内存的对应关系由谁来负责维护，如何对应？
  2. 物理内存何时分配？

虚拟内存到物理内存的映射

先来解答问题1。

由页表来建立虚拟内存到物理内存之间的映射关系。 页表是啥？

简单看，页表就是在内存中的一张表(不详细介绍页表的具体格式啥的，看书就可以了)，可以简单看做一张hash表，记录的是虚拟地址和物理地址的对应关系，每个虚拟地址对应一个表项，通过这张表，就能将虚拟地址转换为物理地址，也就能建立虚拟内存到物理内存的映射关系了。

谁用页表？

页表有了，那谁来用呢？不可能是应用程序自己用吧，我写代码时好像从来都没见过页表？

当然，用户看到的只是虚拟地址(虚拟内存)，其他的对用户都是透明的~

CPU中有个硬件单元，叫MMU(内存管理单元)，页表就是给MMU硬件用的，MMU使用页表进行虚拟地址到物理地址的映射。也就是说，地址映射是由硬件完成的，软件(包括操作系统内核自身)都不管关心。

都说软件不用关心了，那我们为嘛还需要讲页表？

软件只是不用页表而且，但页表的创建和维护都是由软件(操作系统内核)负责的，也就是说我们(软件)创建虚拟内存和物理内存的映射关系，然后由硬件来自动进行地址映射(转换)，我们不需要关心具体的转换过程。

前面说了，页表是在内存中，而页表是由软件创建的，那MMU如果知道页表到底在哪儿呢？

简单说，需要我们(软件)告诉它在哪儿，如何告诉？当然，写寄存器。CPU上有特别的寄存器(CR3)，向其中写入页表的地址，MMU就知道了，然后硬件自己使用即可，我们就不管了。

有多少张页表？

看似一张页表就能完成所有的地址映射了？

当然不行，如果是这样，虚拟内存就没有什么必要存在了。

这里又涉及新概念了:进程，这是操作系统中最基础的概念，其实不“新”。

系统中，所有任务都是以进程方式运行的，每个进程都有自己的独立的虚拟地址空间，好像又说复杂了，简单说，就是每个进程都有自己的虚拟内存，独立代表，其他进程看不到自己的虚拟内存，那么就意味着，每个进程都需要独立的虚拟内存到物理内存的映射，就是说，每个进程都需要自己的页表。

所以，系统中有多少进程，就有多少张页表。

页表创建

前面说了，页表的创建和维护是由操作系统内核完成的，那何时创建页表呢？

如前面所说，每个进程都需要自己的页表，显然，页表需要在进程创建时建立。具体的创建过程和原理就不讲了。

页表的维护

如果维护页表？

当然，进程自己维护，如果维护？

拿前面的例子说，malloc分配虚拟内存后，并没有分配物理内存，也没有建立映射关系，没有修改页表，那到底什么时候，由谁来做映射？

答案是：“缺页异常”。

缺页异常

缺页异常(page fault)又是另一个专业术语，表面上看好像不好理解。

简单看，就是一个异常。什么是异常？这又是硬件上的概念了，具体看看书

简单说，就是硬件上的一种机制，当硬件检测到某种“不对”时，主动触发，然后会自动跳转到异常处理程序处理。异常跟中断类似，区别在于，中断是异步的，由外设触发；异常是同步的，由CPU自己触发；好像又扯远了。

缺页异常就是一种特定的异常，触发条件是：MMU检测到页表项(页表中的项~)不存在。

何时触发缺页异常？

MMU何时会去检测页表项？

当CPU需要访问某个虚拟地址时，比如向某个虚拟地址写数据(memset)，需要将虚拟地址转换成物理地址，此时MMU就会自动去页表中找相应的页表项，如果发现此时相应的页表项(也就是虚拟地址到物理地址的映射关系)还不存在，那么就会自动从硬件层面触发缺页异常。

也就说，缺页异常是硬件自己触发的，条件是当需要访问某个虚拟地址，而该虚拟地址还没有相应的页表项时。

典型的场景就是，当malloc之后，对相应的虚拟地址执行memset操作。

缺页异常中干嘛？

缺页异常后，会跳转到相应的异常处理程序处理，该异常处理程序是内核中提前注册好的，其中要做的主要操作，就是：分配物理内存，然后修改相应进程的页表，建立该物理内存和虚拟内存的映射关系(页表项)。

当然，实际实现要复杂得多，这里不详细描述。

回头看看

再来重头捋一下内存分配过程：

  1. 用户态程序使用malloc接口，分配虚拟地址。
  2. 用户程序访问该虚拟地址，比如memset。
  3. 硬件（MMU）需要将虚拟地址转换为物理地址。
  4. 硬件读取页表。
  5. 硬件发现相应的页表项不存在，硬件自动触发缺页异常。
  6. 硬件自动跳转到page fault的处理程序(内核实现注册好)
  7. 内核中的page fault处理程序执行，在其中分配物理内存，然后修改页表(创建页表项)
  8. 异常处理完毕，返回程序用户态，继续执行memset相应的操作。

至此，虚拟内存和物理内存都分配完成，并完成映射。

另一个角度看，如果malloc分配内存后，一直不使用，那就一直不会分配物理内存，这种内存分配策略叫延迟分配，有其相应的好处，自己理解一下~

接下来？

本章，从内存分配的角度看了Linux内核中内存管理的关键原理，已经以尽量简单的方式描述了，希望没给大家带来负担~

Linux内存管理还涉及其他很多方面，如：

  • 内核自身使用的内存(slab、vmalloc)
  • 伙伴系统
  • 进程地址空间管理

后面抽空慢慢讲，但都希望能尽量简单，希望大家一看就明白。