Linux操作系统虚拟内存管理详解

本内容主要介绍了Linux操作系统中的内存管理机制，特别是针对IA32架构的虚拟存储空间管理和逻辑地址到物理地址的转换。讲解了Linux采用的请求式分页虚拟存储管理方法，以及在IA32体系结构中的内存寻址模式。 在Linux中，每个进程都有一个独立的4GB虚拟内存空间，这个空间被划分为1GB的内核空间和3GB的用户空间。内核空间是所有进程共享的，包含了操作系统内核的代码和数据，这部分内存不可回收和换出。用户空间则分配给各个进程，每个进程最多可使用3GB的私有虚拟内存。 IA32架构提供了两种存储器管理模式：实地址模式和保护模式。在保护模式下，IA32硬件支持虚拟存储器，允许地址总线为32位或36位的物理地址扩展（PAE），最大物理内存可达到4GB或64GB。逻辑地址，也就是包含在机器语言指令中的地址，经过地址转换机制，可以转化为32位的线性地址（虚拟地址），从而访问高达4GB的虚拟地址空间。 逻辑地址到物理地址的转换是通过页表机制完成的。逻辑地址是进程在执行时使用的地址，而线性地址是介于逻辑地址和物理地址之间的中间层。当一个进程执行时，它的页表会被加载到内存管理单元（MMU），MMU根据页表将线性地址映射到对应的物理地址，实现从进程视角的虚拟地址到实际内存芯片地址的转换。 在Linux中，用户空间和内核空间之间存在权限隔离，用户态的进程不能直接访问内核空间，这种设计提高了系统的安全性。如果用户态的进程试图访问内核地址，会导致系统产生异常，通常会触发一个陷阱（trap），使控制权转移到内核代码来处理。 总结来说，Linux内存管理的核心是虚拟存储技术，通过分页和页表机制实现了逻辑地址与物理地址的映射，同时通过内核空间和用户空间的划分，保证了系统安全性和进程隔离。在IA32架构下，这一机制使得有限的物理内存可以高效地服务于多个并发运行的进程，实现了内存的虚拟化和优化利用。