虚拟内存和物理内存

参考：

https://blog.csdn.net/lvyibin890/article/details/82217193

https://blog.csdn.net/u012861978/article/details/53048077

https://www.cnblogs.com/panchanggui/p/9288389.html

 

一：PCB

PCB（progress control block），进程控制块。

对于一个进程，它在被执行前其实是一个可执行程序。这个程序是被放在磁盘上的，当它要被执行的时候，它先被加载到内存当中，然后再放入到寄存器中，最后再让cpu执行该程序，这个时候一个静态的程序就变成了进程。

操作系统通过一个双向链表把进程连起来。但是，对于进程其实它是一个抽象的概念，系统肯定要通过一个东西来描述进程，然后才能管理进程。于是PCB就出来了，操作系统通过PCB来描述进程，于是这个双向链表连接的其实是PCB，这个PCB是个什么玩意？它就是一个结构体，用来描述进程，在Linux下，就是task_struct结构体。

每个进程运行的时候，都会拿到4G的虚拟内存，在32位Linux下，其中3G是交给用户的，1G是交给内核的，而task_struct就是存储在这1G的内核系统空间中。

• 每个进程都有各自的私有用户空间（0-3G），这个空间对系统中的其他进程是不可见的。
• 最高的1GB内核空间则为所有进程以及内核所共享。
• 至于为什么需要这个1G的内核空间，是因为进程需要调用一些系统调用，来交给内核跑，程序的一部分逻辑可能是要交给内核去跑的，所以一部分虚拟地址必须要留给内核使用。

 

PCB中有什么：

1. 标识相关：pid，ppid等等
2. 文件相关：进程需要记录打开的文件信息，于是需要文件描述符表
3. 内存相关：内存指针，指向进程的虚拟地址空间（用户空间）信息
4. 优先级相关：进程相对于其他进程的调度优先级
5. 上下文信息相关：CPU的所有寄存器中的值、进程的状态以及堆栈上的内容，当内核需要切换到另一个进程时，需要保存当前进程的所有状态，即保存当前进程的进程上下文，以便再次执行该进程时，能够恢复切换时的状态，继续执行。
6. 状态相关：进程当前的状态，说明该进程处于什么状态
7. 信号相关：进程的信号处理函数，以及记录当前进程是否还有待处理的信号
8. I/O相关：记录进程与各种I/O设备之间的交互

 

二：虚拟内存和物理内存

概念：

1.每个进程都有自己独立的4G(32位系统下)内存空间，各个进程的内存空间具有类似的结构（64位是16EB，理论上。。。）

2.一个新进程建立的时候，将会建立起自己的内存空间，此进程的数据，代码等从磁盘拷贝到自己的进程空间，哪些数据在哪里，都由进程控制表中的task_struct记录，task_struct中记录中一条链表，记录中内存空间的分配情况，哪些地址有数据，哪些地址无数据，哪些可读，哪些可写，都可以通过这个链表记录

3.每个进程已经分配的内存空间，都与对应的磁盘空间映射

 

进程得到的这4G虚拟内存是一个连续的地址空间（这也只是进程认为），而实际上，它通常是被分隔成多个物理内存碎片，还有一部分存储在外部磁盘存储器上，在需要时进行数据交换。

进程开始要访问一个地址，它可能会经历下面的过程

1. 每次我要访问地址空间上的某一个地址，都需要把地址翻译为实际物理内存地址
2. 所有进程共享这整一块物理内存，每个进程只把自己目前需要的虚拟地址空间映射到物理内存上
3. 进程需要知道哪些地址空间上的数据在物理内存上，哪些不在（可能这部分存储在磁盘上），还有在物理内存上的哪里，这就需要通过页表来记录
4. 页表的每一个表项分两部分，第一部分记录此页是否在物理内存上，第二部分记录物理内存页的地址（如果在的话）
5. 当进程访问某个虚拟地址的时候，就会先去看页表，如果发现对应的数据不在物理内存上，就会发生缺页异常
6. 缺页异常的处理过程，操作系统立即阻塞该进程，并将硬盘里对应的页换入内存，然后使该进程就绪，如果内存已经满了，没有空地方了，那就找一个页覆盖，至于具体覆盖的哪个页，就需要看操作系统的页面置换算法是怎么设计的了。

 

 

 

页表的工作原理：

 

 

三：Linux的交换空间与Windows的虚拟内存

Linux 中的交换空间（Swap space）在物理内存（RAM）被充满时被使用。如果系统需要更多的内存资源，而物理内存已经充满，内存中不活跃的页就会被移到交换空间去。虽然交换空 间可以为带有少量内存的机器提供帮助，但是这种方法不应该被当做是对内存的取代。交换空间位于硬盘驱动器上，它比进入物理内存要慢。

Windows的虚拟内存是WINDOWS目录下的一个"WIN386.SWP"文件，这个文件会不断地扩大和自动缩小，拿出一部分硬盘空间来充当内存使用。