第三章：内存管理
3.1 虚拟内存
单片机没有操作系统，所以每一次写完程序之后，要把程序烧录进去，这样程序才能跑起来
单片机的cpu直接操作的时单片机的物理地址
因为cpu直接访问的是物理地址，所以单片机中不存在两个程序同时进行，如果两个程序同时进行的话，cpu同时访问两个不同的地址，这是cpu做不到的事情，会导致程序崩溃！！！
但是操作系统则不同，操作系统可以实现每一个进程都给分配一个虚拟内存地址！！！！，进程不能直接访问物理地址，但是操作系统可以实现虚拟地址对物理地址的映射
操作系统会提供⼀种机制，将不同进程的虚拟地址和不同内存的物理地址映射起来。
所以，我们现在程序正在使用的地址叫做 虚拟地址（virtual memory address）
实际上在硬件中存储的地址叫做 物理地址（physical memory address）
操作系统引⼊了虚拟内存，进程持有的虚拟地址会通过 CPU 芯⽚中的内存管理单元（Memory Management Unit ---> MMU）的映射关系，来转换变成物理地址，然后再通过物理地址访问内存，如下图所示：
所以，操作系统如何管理虚拟地址和物理地址之间的关系呢？
答案是：通过内存分段和内存分页的方式来进行管理！！！
内存分段：不同程序是由不同的段组成的：常见的有代码段，数据分段，堆段和栈段等。。。
在分段机制下，虚拟内存被分割为：段选择子 + 段偏移量 ---> 具体内容如下图：
例：如果我们需要访问段3中的500偏移量的地址，我们就需要使用段3的基质+偏移量进行操作！！！！
内存分段导致了其他的问题：一个是内存碎片，第二个是内存交换律低下
举个例子：
游戏占⽤了 512MB 内存
浏览器占⽤了 128MB 内存
⾳乐占⽤了 256 MB 内存。这个时候，如果我们关闭了浏览器，则空闲内存还有 1024 - 512 - 256 = 256MB。
但是，这256M的数据它不是连续的：
如果我们还想新打开一个需要200M内存大小的程序的话，现在这个内存分段的方式我们是打不开的。
我们可以做的是，将音乐所占用的256M的内存写入硬盘上，把内存中的音乐占用的256M的内存释放掉，然后将硬盘中的256M的音乐运行程序加载到512M的游戏内存之后，这样内存就会释放出来完整的256M的内存！！
这样200M的其他的应用程序就会被释放出来！！！
这个与内存交换的硬盘空间在Linux系统上被称为swap！（交换空间）
因为访问硬盘比访问内存要慢得多，所以如果内存交换的时候，交换的是⼀个占内存空间很⼤的程序，这样整个机器都会显得
卡顿
为了解决 内存分段所带来的内存碎片化和内存交换效率低下的问题，我们提供了内存分页的方法！！！
由于内存空间都是预先划分好的，也就不会像分段会产⽣间隙⾮常⼩的内存，这正是分段会
产⽣内存碎⽚的原因。⽽采⽤了分⻚，那么释放的内存都是以⻚为单位释放的，也就不会产
⽣⽆法给进程使⽤的⼩内存。
如果内存空间不够，操作系统会把其他正在运⾏的进程中的「最近没被使⽤」的内存⻚⾯给
释放掉，也就是暂时写在硬盘上，称为换出（Swap Out）。⼀旦需要的时候，再加载进来，
称为换⼊（Swap In）。所以，⼀次性写⼊磁盘的也只有少数的⼀个⻚或者⼏个⻚，不会花太
多时间，内存交换的效率就相对⽐较⾼。
降低了内存碎片化的工作，减少了内存与硬盘的交换次数，提高了交换效率！
但是，如果为了使用方便且占用内存不是很大的情况下，还是使用多级页表 因为多级页表可以提升存储效率、降低存储时间！！！
如果某个⼀级⻚表的
⻚表项没有被⽤到，也就不需要创建这个⻚表项对应的⼆级⻚表了，即可以在需要时才创建
⼆级⻚表。
----> 如果一个一级内存的页表项没有被用到，那么就不需要创建对应的二级页表了；如果用到了一级页表，那么我们可以在用的时候在创建二级页表！！！
⻚表⼀定要覆盖全部虚拟地址空间，不分级的⻚表就需要有 100 多万个⻚表项来映射，⽽⼆级分⻚则只需要 1024 个⻚表项 ！！！----> 页表一定要实现虚拟地址全覆盖！！！
对于64位操作系统来说，要实现有效率的查询，需要有四级页表：
全局⻚⽬录项 PGD（Page Global Directory）；
上层⻚⽬录项 PUD（Page Upper Directory）；
中间⻚⽬录项 PMD（Page Middle Directory）；
⻚表项 PTE（Page Table Entry）；
但是，多级页表的本质也是时间换空间 ：以更长的时间代价来换取空间的缩小！！！
但是，程序是有限制的，所以我们可以专门做一个可以存放最常访问页表的cache中，这个cache就是TLB（transaction Lookaside buffer） ---> 页表缓存，转址旁路缓存，快表。。。etc
有了TLB之后，cpu在想寻址的话，就会现在TLB里面找，然后再去页表里面寻找，大大的提高了效率。且TLB命中率非常的高！！！
其实我们在用的时候，不是内存分段和内存分页分开来的，而是通过段页式存储方式在系统中进行使用的！！！
先将程序划分为多个有逻辑意义的段，也就是前⾯提到的分段机制；
接着再把每个段划分为多个⻚，也就是对分段划分出来的连续空间，再划分固定⼤⼩的⻚；
这样，就形成了段号，段内页号和页内位移三部分；
用段页式访问内存有三个步骤：
第⼀次访问段表，得到⻚表起始地址；
第⼆次访问⻚表，得到物理⻚号；
第三次将物理⻚号与⻚内位移组合，得到物理地址。（如上图）
Linux 内存管理
逻辑地址：程序所使⽤的地址，通常是没被段式内存管理映射的地址，称为逻辑地址；（没有经过段式内存管理映射的之前的地址）
虚拟地址：通过段式内存管理映射的地址，称为线性地址，也叫虚拟地址；（经过段式地址映射过之后的地址）
Linux 内存主要采⽤的是⻚式内存管理，但同时也不可避免地涉及了段机制。
32位Linux系统中有总共4GB的空间地址，64位Linux系统中有2^64的内存地址，但是实际上使用的地址是2^48位，因为不需要用那么多的地址，以便造成浪费
进程在⽤户态时，只能访问⽤户空间内存；
只有进⼊内核态后，才可以访问内核空间的内存；
在Linux用户空间分布中，有如下分布：
程序⽂件段，包括⼆进制可执⾏代码；
已初始化数据段，包括静态常量；
未初始化数据段，包括未初始化的静态变量；
堆段，包括动态分配的内存，从低地址开始向上增⻓；
⽂件映射段，包括动态库、共享内存等，从低地址开始向上增⻓（跟硬件和内核版本有
关）；
栈段，包括局部变量和函数调⽤的上下⽂等。栈的⼤⼩是固定的，⼀般是 8 MB 。当然系统也提供了参数，以便我们⾃定义⼤⼩；
