Linux下虚拟地址映射
一、基本概念：
1、Linux下比较重要的点：虚拟地址空间、虚拟内存、交换分区
2、Linux下的四种地址：逻辑地址、线性地址、虚拟地址、物理地址
3、Linux下的两种映射：实模式下的地址映射、保护模式下的地址映射（内存的分段式映射、内存的分页式映射）
4、平时定义的变量，打印变量的地址是逻辑地址
5、cpu的位数是指cpu的计算能力，即一次性能计算的最长整数的字节（ALU的宽度）（数据总线的条数）
6、计算机的三线：控制总线、地址总线、数据总线
控制总线：用来发0和1，即读写信号
地址总线：在内存上定位地址
数据总线：在内存中获取数据或者写数据
二、分析过程：
1、在inter x86中，从第一个 8086（16位）开始，增加了4个寄存器（32位cpu也是16位寄存器，因为隶属于同一个体系），分别为 CS（代码段寄存器）、DS（数据段寄存器）、SS（堆栈段寄存器）(ES（扩展段寄存器）)、IP（IP寄存器，存放偏移量）。（寄存器里存放的都是段开始地址）
2、实模式映射：
在这个8086CPU下，地址总线是二十条，物理内存在分段时，每段的起始位置必须是16的倍数（原因，16的倍数的二进制表示法它的低四位都是0，这样，16位的寄存器才可以放20位的地址），所以如果需要得到一个数据的地址的话，首先在它所在的段寄存器中拿到段起始地址时，再对它左移四位（恢复成20位地址），然后再加上它的IP偏移量（在段内的偏移量）。公式如下：
实地址模式（实模式：直接访问物理地址）：DS<<4 + IP = 数据的地址（物理地址）
（偏移量/偏移地址/逻辑地址（段+偏移量））
未启动操作系统之前，会强制进入实模式状态，加载的内存为：2^20=1M
3、保护模式映射
（1）、80386（32位）为了添加内存的大小和访问权限，又就上面四个寄存器（CS、DS、SS(ES) 仍然保持16位，IP变为32位）外，添加了两个寄存器：
分别为GDTR（全局的段描述附表）：存放GDT（全局的段描述附表）的地址，在内核
LDTR（局部的段描述附表）：与CS、DS结构类似，存放的时LDT在GDT里面的序号、标志位以及权限
GDT是所有进程共享的，而LDT是每个进程私有的。
（2）、GDT是一个数组，数组的大小是 8192（由段可表示的数字决定的） - 12（系统预留） = 8180；
每一个项的大小是8byte =》 段描述符表项
GDT:
段描述符表项：
（3）、因为内存的详细信息都存于此，所以，CS、DS、SS(ES)不再存放内存的起始地址，而存放段信息再描述附表中的索引（下标）,段寄存器的详细信息如下:
（4）、总结
保护模式下，地址映射图：
（5）、怎么判断内核有没有开启分页机制呢？
CPU其他重要寄存器
CR0：最高位叫PG位，0：未开启分页机制，1：开启分页机制
CR2：发生缺页异常的虚拟地址
CR3：页目录的起始地址
CR4：PAE位 物理地址扩展 0：未开启 1：开启
4、保护模式下 内存分页的地址映射
（1）、Linux下，内核给每一个程序的运行都会分配一个虚拟地址空间，给CPU的位数有关，如果是32位，则2^32=4G 大小，还有，如果段描述表项中G标志位为1，则表示该段描述表项的单位为页面，所以内存的大小就等于2^20(1M)*4K = 4G.
（2）、32位系统：二级页面映射；36位：三级页面映射 ；64位：四级页面映射
（3）、操作系统管理内存的方式是段页式（此说法不太准确，不全是，有的只有页式）
（4）、详细图解：
总结：
a. 程序操纵的地址都是虚拟空间上的地址，虚拟地址经过页表映射，得到物理地址
b.每个进程都有自己的页目录和页表，所以，虚拟地址连续，映射出来的物理地址不一定是连续的
c.每个进程的运行都需要分配物理页面，进程在运行时，内核会把当前进程运行的页面放在物理内存中，根据LRU最近最久未使用算法，会把时间长未被使用的页面放在交换分区，以提高系统的性能。
d.内核怎么管理物理内存？
在内核初始化时，先看物理内存的大小，除以4K，看能够划分N个页面。
开辟一个数组（大小为N，元素为物理页面，下标在PT里面存放着）
所以，物理页面的管理就是由一个动态开辟的数组来进行管理的
（5）可执行程序在磁盘上存储：
Load1 text 0x1000（页面对齐）
Load2 data 0x1000（页面对齐）
虚拟地址空间：
0x1000（页面对齐）
物理内存
0x1000（页面对齐）
所以，映射起来比较方便
地址映射总图如下：
三、小点整理
1、虚拟内存：a. 是内存管理的方式，由它负责把页面放在交换分区还是活动区；
b. 虚拟内存使操作系统给每个进程分配4G空间；
c. 保证了每个进程的虚拟地址空间是隔离的。
虚拟地址空间：防止程序直接访问物理空间，确保其安全性。
交换分区：磁盘空间，根据LRU最近最久未使用算法（相当于队列）选择一个页面交换出去，只有脏页（被修改过的页面）才会被交换（因为如果未被修改的话，可以直接被新开辟的页面覆盖）。
2、为什么所有的东西都可以用open打开？
因为Linux下有一个虚拟文件系统，屏蔽了底层协议，给上层提供了一种统一的接口API。
3、假设一个程序，要执行它（./），它不会马上开辟物理内存的，物理内存是到不能再拖的时候才开辟的，过程如下：
a.先发现页目录项是空的，分配页表项，并填充页目录项，重启地址映射
b.再发现页表项为空，则才分配物理内存，重启地址映射
因为程序的运行，虚拟内存分配时，基本是连续的，所以第一次访问时，容易发生中断，后续再进行访问时，就不经常发生了。这样做的好处是节省了物理内存。
4、问：能不能在用户空间定义一个指针指向内核空间的内存？
答案：不能，没权限
问：能不能在内核空间定义一个指针指向用户空间的内存？
答案：能，
问：但是用户空间的内存有可能有两种，要么在物理内存中，要么在交换区域里，如果在交换区域里，就找不到，这种现象怎么解决？
答：在访问时，遇到问题，交给内核，内核一旦检测到错误原因是访问的页面在交换分区里，就会启动MMU的页面置换，把这个页面置换出来以供访问。
5、上述所有映射都是针对于用户空间，而内核空间映射如下：
6、可以查看地址映射过程的工具：bochs（调试操作系统）