1、以程序開發者的角度審視Linux的進程內存管理
2、系統物理內存管理和內核內存的使用方法
3、內存映射、理解內核內存管理與用戶內存管理之間的關系
進程與內存
進程如何使用內存？
毫無疑問，所有進程（執行的程序）都必須占用一定數量的內存，它或是用來存放從磁盤載入的程序代碼，或是存放取自用戶輸入的數據等等。不過進程對這些內存的管理方式因內存用途不一而不盡相同，有些內存是事先靜態分配和統一回收的，而有些卻是按需要動態分配和回收的。
對任何一個普通進程來講，它都會涉及到5種不同的數據段。稍有編程知識的朋友都能想到這幾個數據段中包含有“程序代碼段”、“程序數據段”、“程序堆棧段”等。不錯，這幾種數據段都在其中，但除了以上幾種數據段之外，進程還另外包含兩種數據段。下面我們來簡單歸納一下進程對應的內存空間中所包含的5種不同的數據區。
代碼段：代碼段是用來存放可執行文件的操作指令，也就是說是它是可執行程序在內存中的鏡像。代碼段需要防止在運行時被非法修改，所以只准許讀取操作，而不允許寫入（修改）操作——它是不可寫的。
數據段：數據段用來存放可執行文件中已初始化全局變量，換句話說就是存放程序靜態分配[1]的變量和全局變量。
BSS段：BSS段包含了程序中未初始化的全局變量，在內存中 bss段全部置零。
堆（heap）：堆是用於存放進程運行中被動態分配的內存段，它的大小並不固定，可動態擴張或縮減。當進程調用malloc等函數分配內存時，新分配的內存就被動態添加到堆上（堆被擴張）；當利用free等函數釋放內存時，被釋放的內存從堆中被剔除（堆被縮減）
棧：棧是用戶存放程序臨時創建的局部變量，也就是說我們函數括弧“{}”中定義的變量（但不包括static聲明的變量，static意味着在數據段中存放變量）。除此以外，在函數被調用時，其參數也會被壓入發起調用的進程棧中，並且待到調用結束后，函數的返回值也會被存放回棧中。由於棧的先進先出特點，所以棧特別方便用來保存/恢復調用現場。從這個意義上講，我們可以把堆棧看成一個寄存、交換臨時數據的內存區。
進程如何組織這些區域？
上述幾種內存區域中數據段、BSS和堆通常是被連續存儲的——內存位置上是連續的，而代碼段和棧往往會被獨立存放。有趣的是，堆和棧兩個區域關系很“曖昧”，他們一個向下“長”（i386體系結構中棧向下、堆向上），一個向上“長”，相對而生。但你不必擔心他們會碰頭，因為他們之間間隔很大（到底大到多少，你可以從下面的例子程序計算一下），絕少有機會能碰到一起。
進入操作系統內核看看，進程對內存具體是如何進行分配和管理的。
從用戶向內核看，所使用的內存表象形式會依次經歷“邏輯地址”——“線性地址”——“物理地址”幾種形式。邏輯地址經段機制轉化成線性地址；線性地址又經過頁機制轉化為物理地址。（但是我們要知道Linux系統雖然保留了段機制，但是將所有程序的段地址都定死為0-4G，所以雖然邏輯地址和線性地址是兩種不同的地址空間，但在Linux中邏輯地址就等於線性地址，它們的值是一樣的）。沿着這條線索，我們所研究的主要問題也就集中在下面幾個問題。
1. 進程空間地址如何管理？
2. 進程地址如何映射到物理內存？
3. 物理內存如何被管理？
進程內存空間
Linux操作系統采用虛擬內存管理技術，使得每個進程都有各自互不干涉的進程地址空間。該空間是塊大小為4G的線性虛擬空間，用戶所看到和接觸到的都是該虛擬地址，無法看到實際的物理內存地址。利用這種虛擬地址不但能起到保護操作系統的效果（用戶不能直接訪問物理內存），而且更重要的是，用戶程序可使用比實際物理內存更大的地址空間。
在討論進程空間細節前，這里先要澄清下面幾個問題：
一、4G的進程地址空間被人為的分為兩個部分——用戶空間與內核空間。用戶空間從0到3G（0xC0000000），內核空間占據3G到4G。用戶進程通常情況下只能訪問用戶空間的虛擬地址，不能訪問內核空間虛擬地址。只有用戶進程進行系統調用（代表用戶進程在內核態執行）等時刻可以訪問到內核空間。
二、用戶空間對應進程，所以每當進程切換，用戶空間就會跟着變化；而內核空間是由內核負責映射，它並不會跟着進程改變，是固定的。內核空間地址有自己對應的頁表（init_mm.pgd），用戶進程各自有不同的頁表。
三、每個進程的用戶空間都是完全獨立、互不相干的。不信的話，你可以把上面的程序同時運行10次（當然為了同時運行，讓它們在返回前一同睡眠100秒吧），你會看到10個進程占用的線性地址一模一樣。