小編給大家分享一下Linux需要虛擬內(nèi)存的原因有哪些，相信大部分人都還不怎么了解，因此分享這篇文章給大家參考一下，希望大家閱讀完這篇文章后大有收獲，下面讓我們一起去了解一下吧！

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在回答虛擬內(nèi)存存在的必要性之前，我們需要理解操作系統(tǒng)中的虛擬內(nèi)存是什么，它在操作系統(tǒng)中起到什么樣的作用。正如軟件工程中的其他抽象，虛擬內(nèi)存是操作系統(tǒng)物理內(nèi)存和進程之間的中間層，它為進程隱藏了物理內(nèi)存這一概念，為進程提供了更加簡潔和易用的接口以及更加復(fù)雜的功能。

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圖 1 - 進程和操作系統(tǒng)的中間層

如果需要我們從頭設(shè)計一個操作系統(tǒng)，讓系統(tǒng)中的進程直接訪問主內(nèi)存中的物理地址應(yīng)該是非常自然的決定，早期的操作系統(tǒng)確實也都是這么實現(xiàn)的，進程會使用目標(biāo)內(nèi)存的物理地址(Physical  Address)直接訪問內(nèi)存中的內(nèi)容，然而現(xiàn)代的操作系統(tǒng)都引入了虛擬內(nèi)存，進程持有的虛擬地址(Virtual Address)會經(jīng)過內(nèi)存管理單元(Memory  Mangament Unit)的轉(zhuǎn)換變成物理地址[^2]，然后再通過物理地址訪問內(nèi)存：

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圖 2 - 虛擬內(nèi)存系統(tǒng)

主存儲是相對比較稀缺的資源，雖然順序讀取只比磁盤快 1 個數(shù)量級，但是它能提供極快的隨機訪問速度，從內(nèi)存上隨機讀取數(shù)據(jù)是磁盤的 100,000  倍[^3]，充分利用內(nèi)存的隨機訪問速度是改善程序執(zhí)行效率的有效方式。

操作系統(tǒng)以頁為單位管理內(nèi)存，當(dāng)進程發(fā)現(xiàn)需要訪問的數(shù)據(jù)不在內(nèi)存時，操作系統(tǒng)可能會將數(shù)據(jù)以頁的方式加載到內(nèi)存中，這個過程是由上圖中的內(nèi)存管理單元(MMU)完成的。操作系統(tǒng)的虛擬內(nèi)存作為一個抽象層，起到了以下三個非常關(guān)鍵的作用：

• 虛擬內(nèi)存可以利用磁盤起到緩存的作用，提高進程訪問指定內(nèi)存的速度;

• 虛擬內(nèi)存可以為進程提供獨立的內(nèi)存空間，簡化程序的鏈接、加載過程并通過動態(tài)庫共享內(nèi)存;

• 虛擬內(nèi)存可以控制進程對物理內(nèi)存的訪問，隔離不同進程的訪問權(quán)限，提高系統(tǒng)的安全性;

緩存

我們可以將虛擬內(nèi)存看作是在磁盤上一片空間，當(dāng)這片空間中的一部分訪問比較頻繁時，該部分?jǐn)?shù)據(jù)會以頁為單位被緩存到主存中以加速 CPU  訪問數(shù)據(jù)的性能，虛擬內(nèi)存利用空間較大的磁盤存儲作為『內(nèi)存』并使用主存儲緩存進行加速，讓上層認為操作系統(tǒng)的內(nèi)存很大而且很快，然而區(qū)域很大的磁盤并不快，而很快的內(nèi)存也并不大。

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圖 3 - 虛擬內(nèi)存、主存和磁盤

虛擬內(nèi)存中的虛擬頁(Virtual Page，PP)可能處于以下的三種狀態(tài) —  未分配(Unallocated)、未緩存(Uncached)和已緩存(Cached)，其中未分配的內(nèi)存頁是沒有被進程申請使用的，也就是空閑的虛擬內(nèi)存，不占用虛擬內(nèi)存磁盤的任何空間，未緩存和已緩存的內(nèi)存頁分別表示已經(jīng)加載到主存中的內(nèi)存頁和僅加載到磁盤中的內(nèi)存頁。如上圖所示，圖中綠色的虛擬內(nèi)存頁由主存中的物理內(nèi)存頁(Physical  Page，PP)支撐，所以它是已經(jīng)緩存過的，而黃色的虛擬內(nèi)存頁僅在磁盤中，所以沒有被物理內(nèi)存緩存。

當(dāng)用戶程序訪問未被緩存的虛擬頁時，硬件就會觸發(fā)缺頁中斷(Page  Fault，PF)，在部分情況下，被訪問的頁面已經(jīng)加載到了物理內(nèi)存中，但是用戶程序的頁表(Page  Table)并不存在該對應(yīng)關(guān)系，這時我們只需要在頁表中建立虛擬內(nèi)存到物理內(nèi)存的關(guān)系;在其他情況下，操作系統(tǒng)需要將磁盤上未被緩存的虛擬頁加載到物理內(nèi)存中[^4]。

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圖 4 - 虛擬內(nèi)存的缺頁中斷

因為主內(nèi)存的空間是有限的，當(dāng)主內(nèi)存中不包含可以使用的空間時，操作系統(tǒng)會從選擇合適的物理內(nèi)存頁驅(qū)逐回磁盤，為新的內(nèi)存頁讓出位置，選擇待驅(qū)逐頁的過程在操作系統(tǒng)中叫做頁面替換(Page  Replacement)。缺頁中斷和頁面替換技術(shù)都是操作系統(tǒng)調(diào)頁算法(Paging)的一部分，該算法的目的就是充分利用內(nèi)存資源作為磁盤的緩存以提高程序的運行效率。

內(nèi)存管理

虛擬內(nèi)存可以為正在運行的進程提供獨立的內(nèi)存空間，制造一種每個進程的內(nèi)存都是獨立的假象，在 64 位的操作系統(tǒng)上，每個進程都會擁有 256 TiB  的內(nèi)存空間，內(nèi)核空間和用戶空間分別占 128 TiB[^5]，部分操作系統(tǒng)使用 57 位虛擬地址以提供 128 PiB  的尋址空間[^6]。因為每個進程的虛擬內(nèi)存空間是完全獨立的，所以它們都可以完整的使用 0x0000000000000000 到  0x00007FFFFFFFFFFFF 的全部內(nèi)存。

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圖 5 - 操作系統(tǒng)的虛擬內(nèi)存空間

虛擬內(nèi)存空間只是操作系統(tǒng)中的邏輯結(jié)構(gòu)，就像我們上面說的，應(yīng)用程序最終還是需要訪問物理內(nèi)存或者磁盤上的內(nèi)容。因為操作系統(tǒng)加了一個虛擬內(nèi)存的中間層，所以我們也需要為進程實現(xiàn)地址翻譯器，實現(xiàn)從虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換，頁表是虛擬內(nèi)存系統(tǒng)中的重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每一個進程的頁表中都存儲了從虛擬內(nèi)存到物理內(nèi)存頁的映射關(guān)系，為了存儲  64 位操作系統(tǒng)中 128 TiB 虛擬內(nèi)存的映射數(shù)據(jù)，Linux 在 2.6.10 中引入了四層的頁表輔助虛擬地址的轉(zhuǎn)換[^7]，在 4.11  中引入了五層的頁表結(jié)構(gòu)[^8]，在未來還可能會引入更多層的頁表結(jié)構(gòu)以支持 64 位的虛擬地址。

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圖 6 - 四層頁表結(jié)構(gòu)

在如上圖所示的四層頁表結(jié)構(gòu)中，操作系統(tǒng)會使用最低的 12 位作為頁面的偏移量，剩下的 32  位會分四組分別表示當(dāng)前層級在上一層中的索引，所有的虛擬地址都可以用上述的多層頁表查找到對應(yīng)的物理地址。

因為有多層的頁表結(jié)構(gòu)可以用來轉(zhuǎn)換虛擬地址，所以多個進程可以通過虛擬內(nèi)存共享物理內(nèi)存。我們在 為什么 redis 快照使用子進程  一文中介紹的寫時復(fù)制就利用了虛擬內(nèi)存的這個特性，當(dāng)我們在 Linux 中調(diào)用 fork  創(chuàng)建子進程時，實際上只復(fù)制了父進程的頁表。如下圖所示，父子進程會通過不同的頁表指向相同的物理內(nèi)存：

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圖 7 - 進程間共享內(nèi)存

虛擬內(nèi)存不僅可以在 fork  時用于共享進程的物理內(nèi)存，提供寫時復(fù)制的機制，還能共享一些常見的動態(tài)庫減少物理內(nèi)存的占用，所有的進程都可能調(diào)用相同的操作系統(tǒng)內(nèi)核代碼，而 C  語言程序也會調(diào)用相同的標(biāo)準(zhǔn)庫。

除了能夠共享內(nèi)存之外，獨立的虛擬內(nèi)存空間也會簡化內(nèi)存的分配過程，當(dāng)用戶程序向操作系統(tǒng)申請堆內(nèi)存時，操作系統(tǒng)可以分配幾個連續(xù)的虛擬頁，但是這些虛擬頁可以對應(yīng)到物理內(nèi)存中不連續(xù)的頁中。

內(nèi)存保護

操作系統(tǒng)中的用戶程序不應(yīng)該修改只讀的代碼段，也不應(yīng)該讀取或者修改內(nèi)核中的代碼和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或者訪問私有的以及其他的進程的內(nèi)存，如果無法對用戶進程的內(nèi)存訪問進行限制，攻擊者就可以訪問和修改其他進程的內(nèi)存影響系統(tǒng)的安全。

如果每一個進程都持有獨立的虛擬內(nèi)存空間，那么虛擬內(nèi)存中頁表可以理解成進程和物理頁的『連接表』，其中可以存儲進程和物理頁之間的訪問關(guān)系，包括讀權(quán)限、寫權(quán)限和執(zhí)行權(quán)限：

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圖 8 - 讀權(quán)限、寫權(quán)限和執(zhí)行權(quán)限

內(nèi)存管理單元可以決定當(dāng)前進程是否有權(quán)限訪問目標(biāo)的物理內(nèi)存，這樣我們就最終將權(quán)限管理的功能全部收斂到虛擬內(nèi)存系統(tǒng)中，減少了可能出現(xiàn)風(fēng)險的代碼路徑。

總結(jié)

虛擬內(nèi)存的設(shè)計方法可以說是軟件工程中的常見手段，通過結(jié)合磁盤和內(nèi)存各自的優(yōu)勢，利用中間層對資源進行更合理地調(diào)度充分提高資源的利用率并提供和諧以及統(tǒng)一的抽象，而在實際的業(yè)務(wù)場景中，類似的緩存邏輯也比較常見。

操作系統(tǒng)的虛擬內(nèi)存是非常復(fù)雜的組件，沒有工程師能夠了解其中的全部細節(jié)，不過了解虛擬內(nèi)存的整體設(shè)計也很有價值，我們能夠從中找到很多軟件設(shè)計的方法。我們重新回到今天的問題  — Linux 操作系統(tǒng)中為什么需要虛擬內(nèi)存：

• 虛擬內(nèi)存可以結(jié)合磁盤和物理內(nèi)存的優(yōu)勢為進程提供看起來速度足夠快并且容量足夠大的存儲;

• 虛擬內(nèi)存可以為進程提供獨立的內(nèi)存空間并引入多層的頁表結(jié)構(gòu)將虛擬內(nèi)存翻譯成物理內(nèi)存，進程之間可以共享物理內(nèi)存減少開銷，也能簡化程序的鏈接、裝載以及內(nèi)存分配過程;

• 虛擬內(nèi)存可以控制進程對物理內(nèi)存的訪問，隔離不同進程的訪問權(quán)限，提高系統(tǒng)的安全性;

以上是“Linux需要虛擬內(nèi)存的原因有哪些”這篇文章的所有內(nèi)容，感謝各位的閱讀！相信大家都有了一定的了解，希望分享的內(nèi)容對大家有所幫助，如果還想學(xué)習(xí)更多知識，歡迎關(guān)注創(chuàng)新互聯(lián)行業(yè)資訊頻道！

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新聞來源：http://www.chinadenli.net/article46/joijhg.html

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