內(nèi)存管理子系統(tǒng)是操作系統(tǒng)中最重要的部分之一经磅。
1泌绣、地址類型
物理地址：指出現(xiàn)在CPU外部地址總線上的尋址物理內(nèi)存的地址信號(hào)，是地址變換的最終結(jié)果预厌，是內(nèi)存中實(shí)實(shí)在在存在的硬件地址阿迈。
邏輯地址：程序代碼經(jīng)過(guò)編譯后在匯編程序中使用的地址,C/C++程序中取地址求出來(lái)的地址就是邏輯地址。
虛擬地址（線性地址）：在32位CPU架構(gòu)下轧叽，可以表示4G的地址空間苗沧，用16進(jìn)制表示就是0x00000000到0xffffffff。只有啟動(dòng)分頁(yè)機(jī)制的時(shí)候才有線性地址炭晒，如果沒有分頁(yè)機(jī)制待逞，那么線性地址就是物理地址。
2腰埂、地址轉(zhuǎn)換
CPU要將一個(gè)邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址飒焦，需要兩步：首先CPU利用段式內(nèi)存管理單元，將邏輯地址轉(zhuǎn)換成虛擬地址屿笼，再利用頁(yè)式內(nèi)存管理單元，把虛擬地址最終轉(zhuǎn)換為物理地址翁巍。
即MMU（內(nèi)存控制單元）通過(guò)分段單元把一個(gè)邏輯地址轉(zhuǎn)為線性地址驴一，接著通過(guò)分頁(yè)單元把線性地址轉(zhuǎn)為物理地址。
3灶壶、段式管理
（1）16位cpu的段式管理
16位CPU內(nèi)部擁有20位的地址線肝断，它的尋址范圍就是2的20次方，也就是1M的內(nèi)存空間。但是16位CPU用于存放地址的寄存器（IP胸懈，SP……）只有16位担扑，因此只能訪問(wèn)65536個(gè)存儲(chǔ)單元，64K趣钱。
為了能夠訪問(wèn)1M的內(nèi)存空間涌献，CPU就采用了內(nèi)存分段的管理模式，并在CPU內(nèi)部加入了段寄存器首有。16位CPU把1M內(nèi)存空間分為若干個(gè)邏輯段燕垃，每個(gè)邏輯段的要求如下：
a、邏輯段的起始地址(段地址)必須是16的倍數(shù)井联，即最后4個(gè)二進(jìn)制位必須全為0卜壕。
b、邏輯段的最大容量為64K烙常。
段寄存器---->
段寄存器是為了對(duì)內(nèi)存進(jìn)行分段管理而增加的轴捎，16位CPU有四個(gè)段寄存器，程序可同時(shí)訪問(wèn)四個(gè)不同含義的段蚕脏。
1)CS+IP:用于代碼段的訪問(wèn)侦副，CS指向存放程序的段基址，IP指向下條要執(zhí)行的指令在CS段的偏移量蝗锥，用這兩個(gè)寄存器就可以得到一個(gè)內(nèi)存物理地址跃洛，該地址存放著一條要執(zhí)行的指令。
2)SS+SP：用于堆棧段的訪問(wèn)终议，SS指向堆棧段的基地址汇竭，SP指向棧頂，可以通過(guò)SS和SP兩個(gè)寄存器直接訪問(wèn)棧頂單元的內(nèi)存物理位置穴张。
3)DS+BX：用于數(shù)據(jù)段的訪問(wèn)细燎。DS中的值左移四位得到數(shù)據(jù)段起始地址，再加上BX中的偏移量皂甘，得到一個(gè)存儲(chǔ)單元的物理地址玻驻。
4)ES+BX：用于附加段的訪問(wèn)。ES中的值左移四位得到附加段起始地偿枕，再加上BX中的偏移量璧瞬，得到一個(gè)存儲(chǔ)單元的物理地址。
物理地址的形成方式--->
由于段地址必須是16的倍數(shù)渐夸，所以值的一般形式為XXXX0H嗤锉，即前16位二進(jìn)制位是變化的，后四位是固定的0墓塌，鑒于段地址的這種特性瘟忱，可以只保存前16位二進(jìn)制位來(lái)保存整個(gè)段基地址奥额，所以每次使用時(shí)要用段寄存器左移補(bǔ)4個(gè)0（乘以16）來(lái)得到實(shí)際的段地址。
在確定了某個(gè)存儲(chǔ)單元所屬的段后访诱，只是知道了該存儲(chǔ)單元所屬的范圍（段地址->段地址+65536)垫挨，如果想確定該內(nèi)存單元的具體位置，還必須知道該單元在段內(nèi)的偏移触菜。有了段地址和偏移量九榔，就可以唯一的確定內(nèi)存單元在存儲(chǔ)器中的具體位置。
而玫氢，邏輯地址=段內(nèi)偏移量
所以帚屉，由邏輯地址得到物理地址的公式為：PA=段寄存器的值*16+邏輯地址
（2）32位cpu的段式管理
32位pc的內(nèi)存管理依然采用“分段”的管理模式，物理地址同樣由段地址和偏移量組成漾峡。但既然分為32位和16位攻旦，就肯定有不同之處，32位pc采用了兩種不同的工作方式：實(shí)模式和保護(hù)模式生逸。
1）實(shí)模式
在實(shí)模式下牢屋，32位CPU的內(nèi)存管理與16位CPU是一致的。最大尋址空間1MB槽袄，最大分段64KB烙无。
2）保護(hù)模式
段基地址長(zhǎng)達(dá)32位，每個(gè)段的最大容量可達(dá)4G遍尺，段寄存器的值是段地址的“選擇器”(Selector)截酷，用該“選擇器”從內(nèi)存中得到一個(gè)32位的段地址，存
儲(chǔ)單元的物理地址就是該段地址加上段內(nèi)偏移量乾戏。
3迂苛、分頁(yè)管理
線性地址被分為固定長(zhǎng)度的組，稱為頁(yè)鼓择。例如三幻，32位的機(jī)器，線性地址最大可為4G呐能，如果用4kb為一個(gè)頁(yè)來(lái)劃分念搬，這樣整個(gè)線性地址就被劃分為2的20次方個(gè)頁(yè)。
分頁(yè)單元把所有的物理內(nèi)存也劃分為固定長(zhǎng)度的管理單位摆出，它的長(zhǎng)度一般與線性地址頁(yè)是相同的朗徊。
如上圖所示，每一個(gè)32位的線性地址被劃分為3部分：頁(yè)目錄索引（10位）偎漫、頁(yè)表索引（10位）荣倾、偏移（12位）。
分頁(yè)管理的步驟---->
1）裝入進(jìn)程的頁(yè)目錄地址（操作系統(tǒng)在調(diào)度進(jìn)程時(shí)骑丸，把這個(gè)地址裝入CR3）
2)根據(jù)線性地址的前十位舌仍，在頁(yè)目錄中，找到對(duì)應(yīng)的索引項(xiàng)通危，頁(yè)目錄中的項(xiàng)是一個(gè)頁(yè)表的地址
3）根據(jù)線性地址的中間十位铸豁，在頁(yè)表中找到頁(yè)的起始地址
4）將頁(yè)的起始地址與線性地址與線性地址的最后12位相加，得到物理地址
4菊碟、linux頁(yè)式管理
Linux操作系統(tǒng)采用虛擬內(nèi)存管理技術(shù)节芥，使得每個(gè)進(jìn)程都有獨(dú)立的進(jìn)程地址空間，該空間是大小為3G逆害，用戶看到和接觸的都是虛擬地址头镊，無(wú)法看到實(shí)際的物理地址。利用這種虛擬地址不但能起到保護(hù)操作系統(tǒng)的作用魄幕，而且更重要的是用戶程序可使用比實(shí)際物理內(nèi)存更大的地址空間相艇。
Linux將4G的虛擬地址空間劃分為兩個(gè)部分——用戶空間與內(nèi)核空間。用戶進(jìn)程通常情況下只能訪問(wèn)用戶空間的虛擬地址纯陨，不能訪問(wèn)內(nèi)核空間坛芽。例外情況是用戶進(jìn)程通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用訪問(wèn)內(nèi)核空間。
如上圖展示了一個(gè)Linux進(jìn)程的地址空間的組織結(jié)構(gòu)翼抠，對(duì)于32位進(jìn)程來(lái)說(shuō)咙轩，代碼段從地址0x08048000開始；對(duì)于64位進(jìn)程來(lái)說(shuō)阴颖，代碼段從0x00400000開始活喊。
關(guān)于上圖堆和棧的區(qū)別--->
stack:由系統(tǒng)自動(dòng)分配，地址增長(zhǎng)方向是從高到低量愧。第一個(gè)進(jìn)棧的是主函數(shù)中的下一條指令（函數(shù)調(diào)用語(yǔ)句的下一條可執(zhí)行語(yǔ)句）的地址钾菊，然后是函數(shù)的各個(gè)參數(shù)（以從右往左的方式入棧），然后是函數(shù)中的局部變量
heap:需要程序員自己申請(qǐng)侠畔，并指明大小结缚。以鏈表的形式進(jìn)行管理，地址增長(zhǎng)方向是從低到高软棺。
char *p1 = (char *)malloc(10);//c語(yǔ)言申請(qǐng)堆的方式
char *p2 = new char(10);//在c++中申請(qǐng)堆的方式
注：p1 p2本身在棧中红竭，而分配的10字節(jié)則在堆區(qū)。
注：關(guān)于棧是向低地址增長(zhǎng)喘落，而堆向高地址增長(zhǎng)茵宪，這樣設(shè)計(jì)可以使得堆和棧可以充分地利用空閑的地址空間
程序執(zhí)行時(shí)的內(nèi)存分配情況 -->
int a = 0; //a 在全局已初始化數(shù)據(jù)區(qū)
char *p1; //p1 在 BSS 區(qū)（未初始化全局變量）
main()
{
int b; //b 在棧區(qū)
char s[] = "abc";
//s 為數(shù)組變量瘦棋，存儲(chǔ)在棧區(qū)稀火， //“abc”為字符串常量，存儲(chǔ)在.rodata常量字符串區(qū)
char *p1赌朋，p2; //p1凰狞、p2 在棧區(qū)
char *p3 = "123456"; //123456\0 在.rodata常量字符串區(qū)篇裁，p3 在棧區(qū)
static int c =0； //c為局部靜態(tài)數(shù)據(jù)赡若，data數(shù)據(jù)區(qū)
p1 = (char *)malloc(10); //分配得來(lái)的 10 個(gè)字節(jié)的區(qū)域在堆區(qū)
p2 = (char *)malloc(20); //分配得來(lái)的 20 個(gè)字節(jié)的區(qū)域在堆區(qū)
free(p1);
free(p2);
}
------end
ps:小小總結(jié)达布，望對(duì)在路上的你有所幫助。
