搞基礎系列-Linux系統-內存篇

前言

做爲一個Android開發者，可能大部分時間都放在了上層的代碼編寫和學習上，對於一些基礎的東西像操做系統、網絡、數據結構與算法還有設計模式可能瞭解很少，搞基礎系列準備以我的的經驗爲出發，整理一些我的認爲比較重要的，對工做有幫助的一些基礎知識點，雖不能面面俱到，但力求包含重點常見知識，這不只是一個分享，也是我的學習的記錄和總結。

Linux學習路線

（這個路線圖只是從本身的經驗和實際出發得出的，我的以爲在平時能夠用到和須要瞭解的知識，不求面面俱到，只要重點記憶突破。）

什麼是操做系統

先看一下電腦是由什麼組成的，按照馮諾依曼結構運算器，控制器，內存儲器，以及輸入輸出設備，這些對應着CPU、內存和硬盤以及鼠標鍵盤顯示器，這些是實打實的硬件，當你想要調用這些硬件爲你服務，你須要熟悉這些硬件接口，幾百頁的接口文檔那可不是鬧着玩的，那麼你就須要一種叫作 驅動 的軟件來和硬件交互，操做系統實際上就集成了不少驅動，能夠看出，操做系統的一大做用就是屏蔽底層硬件的差別，統一管理硬件。第二點，用戶實際使用的是應用程序，應用程序其實是和操做系統直接打交道的，因此操做系統的第二個目的就是爲應用程序提供易讀、可靠和高效的API，這樣上層應用就不用直接面對硬件，節省開發時間。 因此總結下來操做系統就是用來統一管理硬件資源的，爲上層應用提供高效、易讀API接口的軟件集合。 操做系統有不少像window，macos、android、ios等等，爲何我要選擇Linux學習，由於Android是基於Linux內核的，Android開發又是我吃飯的傢伙，還有什麼比洽飯更重要呢？

內存

1什麼是內存：

內存就比如一個個箱子，箱子上有着編號，就是上圖中的地址，裏面裝着咱們須要的數據，而cpu的管腳經過總線與內存相連，當cpu須要數據進行計算時，就經過總線將內存中的數據加載進來，計算完成後再經過總線將結果寫入到內存，同時內存也是和硬盤鏈接，能夠將一些數據寫入硬盤，由於內存的數據再斷電後就會消失，想永久保存就須要寫入到硬盤。

2CPU的地址總線、數據總線和內存的關係

前面說了，cpu經過總線與內存相連，總線又分爲地址總線、數據總線和控制總線三種。 數據總線： 能夠將數據傳給內存，也能夠將內存數據傳給cpu，若是數據總線長度爲8位，那麼每一個時鐘週期傳遞的數據就是1B 地址總線： 前面說了，內存能夠當作一個個箱子，箱子裏的是數據，每一個箱子上都有編號，cpu經過找到箱子的編號，打開箱子，取走裏面的數據，或者寫入數據，地址總線就是用來肯定和找到箱子編號的，好比我們常說的32位cpu，它的可尋址範圍就是2^32也就是4G，那麼他的地址總線範圍就是0x00000000-0xFFFFFFFF,這就是內存箱子的編號。這裏的4G其實也對應了咱們的最大內存大小，通常狀況下每一個箱子存儲的數據大小爲1B。 控制總線： 用來和設備間相互傳遞控制信號的。

3虛擬內存

虛擬內存是計算機系統內存管理的一種技術。它使得應用程序認爲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，它一般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，在須要時進行數據交換。

（1）虛擬內存地址

上圖中物理內存中的地址咱們定義爲物理地址，可是在Linux中應用程序不能直接訪問物理內存地址，只能經過虛擬內存地址進行內存訪問，每一個進程都有本身的一套虛擬內存地址，用來給本身的進程空間編號。進程空間的數據一樣以字節爲單位，依次增長。從功能上說，虛擬內存地址和物理內存地址相似，都是爲數據提供位置索引。進程的虛擬內存地址相互獨立。所以，兩個進程空間能夠有相同的虛擬內存地址，如0x10001000。虛擬內存地址和物理內存地址又有必定的對應關係，以下圖所示。對進程某個虛擬內存地址的操做，會被CPU翻譯成對某個具體內存地址的操做。

這麼作有兩個好處：1是內存的分配管理統一交由操做系統處理和校驗2是爲進程間共享內存提供方便

（4）內存分頁

前面說到，虛擬內存地址和物理地址是有映射關係的，這種映射關係是須要有個表來維護的，若是每一個物理地址對應一個虛擬內存地址，那麼拿4G內存舉例，維護這個表須要8G內存，這傢伙比內存還大，分頁就是用來解決這個問題的。

分頁就是一更大的粒度來存儲映射關係，分頁機制的操做對象是固定大小的內存塊，稱爲頁，通常狀況下大小爲4K。與頁的概念相對應，頁框是對物理內存的最小操做單位，頁框大小和頁的大小是同樣的，也是4K。這樣咱們須要維護的就是虛擬頁和物理頁框的對應關係了，一個頁爲4K，那麼4G內存須要的用來維護對應關係的內存大小爲1M。不管頁仍是頁框，一頁以內的內存地址都是連續的，因此頁和頁框的最後位數是相同的，以4K頁爲例，每一頁有4096個字節。因爲4096是2的12次方，因此地址最後12位的對應關係自然成立。咱們把地址的這一部分稱爲偏移量（offset）。偏移量實際上表達了該字節在頁內的位置。地址的前一部分則是頁編號。操做系統只須要記錄頁編號的對應關係。

由圖可知： 虛擬地址=頁編碼+偏移量 物理地址=頁框頁編碼+偏移量

參考

《鳥哥的Linux私房菜》

《現代操做系統》

《深刻理解Android內核設計思想》

www.cnblogs.com/vamei

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