1. 基本概念及相關術語
1.1 基本概念
虛擬內存使得應用程序認為它擁有連續的可用的內存（一個連續完整的地址空間），而實際上，它通常是被分隔成多個物理內存碎片，還有部分暫時存儲在外部磁盤存儲器上，在需要時進行數據交換。即將不完整，不連續的物理內存映射為連續的虛擬內存。虛擬內存主要有以下三個作用：
(1) 它將主存看成是磁盤的一個高速緩存，只在主存中保存活動區域(通常一個進程只有執行上下文被加載到主存，其余的在磁盤中，隨用隨加載)；
(2) 為每個進程提供一致的地址空間，簡化了內存管理；
(3) 它保護每個進程的地址空間不被其他進程破壞(在頁表的PTE條目中加入額外控制信息實現內存保護)。
虛擬內存有兩個重要的地址，虛擬地址(virtual address, VA)和物理地址(physical address)。在訪問某個對象時，CPU給出虛擬地址，通過查詢計算得到物理地址，然后訪問物理地址上的對象。整個過程如下圖：
圖1 CPU訪問主存
1.2 相關術語
在表述虛擬內存相關概念時，有些約定的縮寫和表達方式
- N=2n：虛擬地址數量,n表示虛擬地址位數；
- M=2m：物理地址數量，m表示物理地址位數；
- P=2p：頁大小，p表示頁偏移量的位數；
- VPO(virtual page offset)：虛擬地址頁偏移；
- VPN(virtual page number)：虛擬地址頁號；
- PPO(physical page offset)：物理地址頁偏移；
- PPN(physical page number)：物理地址頁號。
- 頁表(Page Table, PT)：記錄虛擬地址到物理地址的映射的表
- 頁表項(Page Table Entry, PTE)：頁表中一行，PTE的索引即VPN；
- 頁表項地址(PTEA)：在CPU中有個頁表基址寄存器，記錄頁表起始地址，頁表基址寄存器+PTE索引=PTEA；
- MMU(Memory Management Unit)：內存管理單元，用於虛擬地址到物理地址尋址的硬件。
一個頁表的常見結構如下圖：
圖2 頁表常見結構(有效位表示該PTE是否有VP到PP的映射)
eg: 給定一個32位虛擬地址空間和一個24位物理地址空間，，對於下面的頁大小，確定VPN,VPO,PPN,PPO的位數。
| P | VPN位數 | VPO位數 | PPN位數 | PPO位數 |
| 1KB | 22 | 10 | 14 | 10 |
| 4KB | 20 | 12 | 12 | 12 |
注：VPO表示對象在頁中的偏移，VPO=PPO,VPO位數=log2(P)，VPN表示虛擬頁號，對應PTE表索引，PPN表示物理頁號。
一個虛擬地址翻譯成物理地址，方法如下圖：
圖3 虛擬地址翻譯為物理地址
地址翻譯時，給定虛擬地址，低p位表示頁偏移，其中VPO=PPO，高n-p位表示虛擬頁號，即PTE的索引號，找到對應PTE記錄，得到物理頁號PPN，跟PPO組合得到物理地址。所以訪問一個對象，首先訪問頁表，從虛擬地址轉化為物理地址，再從訪問物理地址得到對象。由於頁表和物理地址都在內存中，因此存在兩次內存訪問。
1.3 地址翻譯加速
從1.2中得知為了訪問對象，需要兩次內存訪問，每次內存訪問一般幾十到幾百個周期，為了加快地址翻譯，減少內存訪問次數，有兩種輔助設備：SRAM緩存和TLB緩存。
SRAM緩存：在CPU和主存(DRAM)之間，還有L1, L2, L3三級高速緩存(SRAM)。因此，可以將部分PTE條目和對象存到SRAM中，減少內存訪問次數，添加了SRAM的訪問機制如下圖。
圖4 加入SRAM的對象訪問過程
可見，在訪問時，優先訪問SRAM獲取PTE和數據，沒有再訪問主存，還沒有則引起缺頁中斷。SRAM的訪問通常幾個時間周期。
TLB緩存：在MMU中的虛擬地址緩存器，稱為翻譯后備寄存器(Translantion Lookaside Buffer)。每一行由一個或多個PTE條目組成，其中TLBI用於行號索引，TLBT用於同一行某個PTE的選擇。
圖5 虛擬地址在TLB中的含義
比如某一時刻，TLB中的快照如下：
圖6 TLB快照，四組，四路組相聯
頁面大小64字節，虛擬地址長度14位，物理地址長度為12位。給定虛擬地址0x03d4,其二進制表示為0b 00 0011 1101 0100,低6位0b 01 0100為VPO,因為四路組相聯，所以第6-7位為TLBI(TLB索引)，為0b 11,剩余為TLBT(TLB標記)，TLBI表示TLB表的行號，找到TLBT為0x03的位置，得到PPN為0D。結合VPO，得到物理地址為0b 0011 0101 0100,即0x0354。加入TLB之后的對象訪問過程如下：
圖7 加入TLB的對象訪問過程
2. Linux虛擬內存
2.1 Linux虛擬內存組織機制
Linux系統為每個進程維護一個單獨的地址空間，如圖8(a)所示，同時為每個進程維護一個結構體，其中包含虛擬內存相關信息，如圖8(b)所示。
(a) Linux進程的虛擬內存 （b）管理虛擬內存的結構體
圖8 Linux虛擬內存
其中vm_prot描述虛擬內存頁的讀寫權限，vm_flags記錄該虛擬頁是共享還是私有等其他常見信息。
2.2 內存映射
Linux系統將虛擬內存和一個磁盤對象關聯起來，以初始化虛擬內存區域的內容，稱為內存映射。有兩種類型的內存映射：
(1) 映射到Linux文件系統中的普通文件；
(2) 映射到匿名文件，匿名文件是由內核創建的全是二進制0的文件，CPU第一次使用該虛擬頁面時，內核就選擇一個物理頁面進行覆蓋(整個過程沒有跟磁盤發生數據交互)。
一個對象映射到虛擬內存中，要么以共享對象存在，要么以私有對象存在。不論哪一種模式，在物理內存中只有一份副本。共享對象一個進程的寫操作，其他進程都可見，並且能反映到磁盤上；私有對象一個進程的寫操作，其他進程不可見，並且不能反映到磁盤上。
(a) 內存映射到共享區域 (b) 內存映射到私有區域
圖9 多個進程映射同一對象
對於多個進程內存映射到私有區域時，物理內存只有一份副本，此時采用一種"寫時復制"策略。即進程在寫時，復制修改的部分到內存其他區域。這樣對其他進程來說，對象沒有修改過。
2.3 mmap函數
mmap函數提供用戶級的內存映射，該函數能夠把某個磁盤文件映射到內存中，函數的主要格式如下：
void* mmap(void* start,size_t length,int prot,int flags,int fd,off_t offset); start：內存起始地址，通常為NULL,讓系統自己選擇 length：內存的長度 prot： PROT_READ：數據可讀 PROT_WRITE：數據可寫 PROT_EXEC：數據可執行 PROT_NONE：數據不可訪問 flags: MAP_SHARED：共享對象，進程間可察覺修改，並能反映到磁盤 MAP_PRIVATE：私有對象，一切操作只在本進程可見，修改不會寫入磁盤 MAP_FIXED：基本不用 fd：映射的文件的描述符，通常應先打開文件，再調用mmap，此后關閉文件映射仍然存在 offset：文件偏移量，一般為0
該函數返回內存中對應的地址
調用mmap之后，內存與磁盤文件之間就建立了映射關系，如下圖所示：
munmap用於解除映射關系
int munmap(void* start,size_t length);
使用mmap的作用主要有以下兩個：
(1) 將磁盤文件映射到內存中，這樣所有讀寫均針對內存讀寫(可以使用memcpy等內存操作函數，而不是read,write等IO操作函數)，加快訪問速度；
(2) 在無親緣關系的進程間提供共享內存。
使用mmap函數，需要注意以下問題：
(1) 在文件映射之前，必須打開該文件，而且mmap的prot權限不能超過打開的權限。比如open打開時只設置了讀文件，那么prot就不能設置PROT_WRITE；
(2) 內存映射通常都是按虛擬內存的頁為基本單位的。比如一個頁512字節，但是映射的文件只有12字節。那么剩下的500字節會自動填充為零，即時修改了后面的500字節，也不會寫入到文件（所以較好的操作是直到文件大小，直接加長文件）；
(3) 如果試圖訪問不存在的映射關系，比如頁面大小512字節，實際文件大小為12字節，用mmap映射的時候映射1000個字節，那么實際可操作的結果如下：
(4) 將內存寫入磁盤的操作通常由頁守護進程完成，如果想人為控制將內存數據寫入磁盤，可以調用以下函數：
#include <sys/mman.h> int msync(void *addr,size_t len,int flags); flags: MS_ASYC：異步寫入 MS_SYC：同步寫入，等待寫入之后才會返回
(5) 進程終止或調用munmap時解除映射關系，關閉文件描述符不會解除映射關系。
下面舉一個簡單的例子：父子進程同時修改一個文件寫入數據：
1 #include <sys/mman.h> 2 #include <stdio.h> 3 #include <fcntl.h> 4 #include <unistd.h> 5 #include <sys/wait.h> 6 #include <sys/types.h> 7 #include <stdlib.h> 8 #include <string.h> 9 10 #define FILE_MODE (S_IRUSR|S_IWUSR|S_IRGRP|S_IWGRP|S_IROTH) 11 12 int main() 13 { 14 int fd; 15 if((fd=open("map.txt",O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC,FILE_MODE))<0) 16 { 17 printf("open file failed\n"); 18 exit(1); 19 } 20 21 22 if(ftruncate(fd,50)<0) //文件大小50字節 23 { 24 printf("ftruncate error\n"); 25 exit(1); 26 } 27 28 char *buf;//起始地址 29 30 buf=(char*)mmap(NULL,50,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0); 31 close(fd); 32 pid_t pid; 33 if((pid=fork())<0) 34 printf("fork error\n"); 35 36 char* msg="hello world\n"; 37 char* msg1= "good news"; 38 if(pid==0) //子進程 39 { 40 memcpy(buf,msg,strlen(msg)); 41 exit(0); 42 } 43 else 44 { 45 int stat; 46 wait(&stat); 47 memcpy(buf+strlen(msg),msg1,strlen(msg1)); 48 } 49 return 0; 50 51 }
第22-26行就是申請文件大小為50字節，那么實際內存可修改的部分就是buf~(buf+49)。注釋該段再執行就會報SIGBUS錯誤。
執行結果是當前目錄多了map.txt,其內容為：
hello world
good news
2.4 Linux進程分配內存的方式
關於此部分詳細介紹參考博文：https://www.cnblogs.com/vinozly/p/5489138.html
簡單來說，當我們調用分配內存的函數時(如malloc)，底層通過調用brk()或mmap()實現。當遇到小於128KB的內存時，調用brk()函數將數據段堆的_edata地址往高地址推(即圖8a中brk指向的指針，此時只分配虛擬內存，沒有物理內存。當產生缺頁中斷時，才調用物理內存)。當申請內存大於128KB時，調用mmap()在堆棧之間的共享區域分配內存(此部分內存可以單獨釋放)。