Linux系统用虚拟内存欺骗应用程序？

一、让有意义的事情变的有意思

二、物理内存、虚拟内存

三、Linux 中的换页机制

一、让有意义的事情变的有意思

昨天,看到下面这句话,送给您:

让有意思的事情变的有意义,让有意义的事情变的有意思!

不敢说这是一句人生哲学,但是我们可以从这句话中找到我们做一件事情时的导向。

比如:在学习 Linux 操作系统的过程中,很多枯燥无味的知识点,都是不好玩、没有意思的事情。

但是为什么我们还要逼着自己,静下心来啃那些大部头书籍呢?因为这件事情有意义!

所以啊,如果能够在这件有意义的事情上,再变得更有意思,那就可以调动我们潜在的很多积极性。

这篇文章,我们用简单、轻松的方式,来聊一下老生常谈的虚拟内核和物理内存的那些事。

二、物理内存、虚拟内存 1． 从 x86 硬件角度看

在 x86 平台上,主存储器(也就是我们说说的内存)负责存储指令和数据,它的作用仅次于 CPU。

离开了内存,性能再好的 CPU 也无法工作。

就像人类的大脑一样,如果没有了记忆功能,再怎么聪明都无法施展。

内存被划分为若干个存储单元,从 0 开始编号,一直到最大的那个存储单元。

CPU 通过地址总线来定位一个内存的空间,通过数据总线从内存中读取数据、或者向内存中写入数据。

我们都知道,同一个 x86 平台的硬件,既可以安装 Windows 操作系统,也可以安装 Linux 操作系统。

也就是说,在生产硬件的时候,它并不知道: 在自己的硬件之上,将会运行什么样的程序。

也许会有高手直接写一个牛逼的程序,直接来管理各种硬件资源、实现自己特定的功能呢!?

不管如何,x86 平台处理器架构定义了自己的一套规则来访问内存。

因此,从 x86 平台硬件角度看,只有(物理)内存这个东西,它压根不知道什么是虚拟内存。

2． 从操作系统的角度看

操作系统最重要的功能就是:向应用程序屏蔽了各种硬件资源,提供更加友好的接口,让程序开发变得更容易。

所以,操作系统会充分利用硬件的各种运行机制,然后进行抽象、包装,面向应用程序开发者提供一个稳定的环境。

那么对于内存来说,操作系统向下对物理内存进行管理,向上对应用程序提供虚拟内存。

虚拟内存,就是操作系统在应用程序与物理内存之间加入的一层抽象,加入这个抽象层之后,有很多的好处。

3． 从应用程序开发者的角度看

在很久以前,各种单片机、嵌入式 MCU 上,编写应用程序的时候,经常会面对内存很紧张的情况,这是就要很好的来优化自己的程序,利用有限的硬件资源来实现一些功能。

(突然想起多年之前的以为老工程师对我说,面对那么有限的一点资源,都会想哭!)

随着硬件的快速发展,这种硬件资源紧张的情况好像很少遇到了,给我们的感觉是:内存我可以随便用,想要多少就 malloc 多少。

当然了,操作系统会给出一些限制的,这只是操作系统层面的限制,因为它有自己的考量因素。

当应用程序提出申请一块内存空间时,操作系统为了满足应用程序的需求,就会从虚拟内存中“划分”出一块空间,然后把这个空间的开始地址返回给应用程序。

因此,从应用程序开发的角度看,我们并不关心物理内存、虚拟内存。

只要我 malloc 了,操作系统给我一个足够的空间就行!至于这个空间是从哪里分配的,I don't care!

也就是说,应用程序是面向虚拟内存编写的,而不是面向物理内存编写的。

当然了,最终存储数据的肯定是物理内存,至于虚拟内存如何与物理内存建立对应的映射关系,这就是由操作系统操心的事情了。

每个应用程序只能看到自己的虚拟内存空间,这是一块连续的空间,从而保证了不同应用程序之间的隔离,达到安全目的。

三、Linux 中的换页机制

如今,我们去攒一台 PC 机,内存条最少都是 8G、16G吧!但是在多年之前,这是非常、非常奢侈的一件事情,主要还是价格的因素。

我记得自己在做毕业设计的时候,为了保存代码,去南京珠江路买了一个 U 盘,64G,好像是 70 块钱。

相比内存来说,硬盘的价格就便宜多了!

因此,Linux 操作系统就充分利用硬盘来糊弄应用程序,让应用程序觉得有永远也用不完的内存资源。

在一个 32 位的系统中,应用程序可以访问的最大内存空间是 2 的 32 次方,也就是 4 GB,即使此时实际的物理内存并没有这么大。

其实这就类似于一家旅馆,假如有一个老板,开了一家旅馆,一共有 1000 个房间。

同时,老板还有一个空间更大的仓库,仓库里可以放 10000 个床铺。

这个老板很聪明,他明白 2 个事实情况:

旅行团或顾客只能看到这个旅馆的门头和大厅,并不知道旅馆里面的房间布局;

旅行团并不会在同一时刻、扎堆的同时来住宿;

因此老板在对外宣传的时候,就说:我的旅馆很大,有 10000 个房间,欢迎前来入住!

为了简化问题,我们假设每个旅行团有 100 人。

在某个时间,当有第一批的 3 个旅行团入住的时候,老板觉得房间足够,于是把这 300 人都安排在旅馆的房间中。

过了一会,又来了第二批 4 个旅行团,此时总的住宿人数变成了 700 人。

老板开始计算:一共就 1000 个房间,现在消耗掉 700 个了,还剩 300 个,还能撑一会。

没多久,第三批顾客上门了,这回是 5 个旅行团的人数:500 人 。因为老板宣传说:有 10000 个房间,充足的很。

老板在面对这新的 500 个人时,只见他从容的把第一批和第二批的 700 个人,从房间中转移到仓库。

我们假设顾客都处于睡眠状态,仅仅需要一张床而已,不需要消耗其他的资源。

然后把这新的 500 人,安排在房间中入住。

此时,一共入住了 300 + 400 + 500 =  1200 人,虽然旅馆只有 1000 个房间,但是通过借用仓库去暂时存放处于睡眠状态的顾客,此时旅馆中还剩下 500 个空闲的房间。

还可以继续接待客人。。

当到了 第一批的 3 个旅行团退房的时间时,老板再把这 300  人从仓库中 偷偷地转移到旅馆的房间中。这些客人醒来一看,还是我入睡时的那个环境,很好很好。。。

以上这个过程,就非常类似 Linux 系统中虚拟内存的换页方式:

虚拟内存 = 对外宣传的 10000 个房间;

物理内存 = 实际的 1000 个房间;  

硬盘        = 只有床铺的仓库。

当物理内存不够的时候,操作系统把一些物理内存页的内存暂时存储到空间更大、价格更便宜的硬盘上,然后就可以回收这些物理内存继续使用了。

怎么样,通过这样的类比方式,是不是对 Linux 系统中的虚拟内存有更加感性的认识?

最后,再向你安利一下文章开头的那句话:

当你面对一件有意义、但是没意思的事情时,不妨考虑给它加点意思;而当你面对有意思、但是没意义的事情时,也可以给它赋予一些意义!