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参考资料：知乎：CPU，内核，寄存器，缓存，RAM，ROM的作用和他们之间的联系？

基本概念	简要
内核	内核是操作系统最基本的部分。它是为众多应用程序提供对计算机硬件的安全访问的一部分软件，这种访问是有限的，并且内核决定一个程序在什么时候对某部分硬件操作多长时间。内核的分类可分为单内核和双内核以及微内核。严格地说， 内核并不是计算机系统中必要的组成部分 内核并不是计算机系统中必要的组成部分 内核并不是计算机系统中必要的组成部分 重要的事情要说三遍
CPU	中央处理器（CPU，Central Processing Unit）是一块超大规模的集成电路，是一台计算机的运算核心（Core）和控制核心（ Control Unit）。它的功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。 中央处理器主要包括运算器（算术逻辑运算单元，ALU，Arithmetic Logic Unit）和高速缓冲存储器（Cache）及实现它们之间联系的数据（Data）、控制及状态的总线（Bus）。CPU 与内部存储器（Memory）和输入/输出（I/O）设备合称为电子计算机三大核心部件。
寄存器	寄存器是中央处理器内的组成部份。它跟CPU有关。寄存器是有限存贮容量的高速存贮部件，它们可用来暂存指令、数据和位址。- 在中央处理器的控制部件中，包含的寄存器有指令寄存器(IR)和程序计数器(PC)。

• 在中央处理器的算术及逻辑部件中，包含的寄存器有累加器(ACC)。 | | 存储器 | 存储器范围最大，它几乎涵盖了所有关于存储的范畴。你所说的寄存器，内存，都是存储器里面的一种。凡是有存储能力的硬件，都可以称之为存储器，这是自然，硬盘更加明显了，它归入外存储器行列。 | | 内存 | 内存既专业名上的内存储器，它不是个什么神秘的东西，它也只是存储器中的沧海一粟，它包涵的范围也很大，一般分为:- 只读存储器（ROM:Read Only Memory）: 只读存储器应用广泛，它通常是一块在硬件上集成的可读芯片，作用是识别与控制硬件，它的特点是只可读取，不能写入。

• 随机存储器（RAM:Random Access Memory）: 随机存储器的特点是可读可写，断电后一切数据都消失，我们所说的内存条就是指它了。

• 最强悍的**高速缓冲存储器（CACHE）******ROM、RAM的区别：****ROM和RAM指的都是半导体存储器.ROM在系统停止供电的时候仍然可以保持数据，而RAM通常都是在掉电之后就丢失数据，典型的RAM就是计算机的内存 | | 缓存CACHE | 缓存就是数据交换的缓冲区（称作Cache），当某一硬件要读取数据时，会首先从缓存中查找需要的数据，如果找到了则直接执行，找不到的话则从内存中找。由于缓存的运行速度比内存快得多，故缓存的作用就是帮助硬件更快地运行。因为缓存往往使用的是RAM（断电即掉的非永久储存），所以在用完后还是会把文件送到硬盘等存储器里永久存储。电脑里最大的缓存就是内存条了，最快的是CPU上镶的L1和L2缓存，显卡的显存是给显卡运算芯片用的缓存，硬盘上也有16M或者32M的缓存。CACHE是在CPU中速度非常块，而容量却很小的一种存储器，它是计算机存储器中最强悍的存储器。由于技术限制，容量很难提升。 | | FLASH存储器 | FLASH存储器又称闪存，它结合了ROM和RAM的长处，不仅具备电子可擦出可编程（EEPROM）的性能，还不会断电丢失数据同时可以快速读取数据 （NVRAM的优势），U盘和MP3里用的就是这种存储器。在过去的20年里，嵌入式系统一直使用ROM（EPROM）作为它们的存储设备，然而近年来 Flash全面代替了ROM（EPROM）在嵌入式系统中的地位，用作存储Bootloader以及操作系统或者程序代码或者直接当硬盘使用（U盘）。目前Flash主要有两种NOR Flash和NADN Flash。- NOR Flash的读取和我们常见的SDRAM的读取是一样，用户可以直接运行装载在NOR FLASH里面的代码，这样可以减少SRAM的容量从而节约了成本。

• NAND Flash没有采取内存的随机读取技术，它的读取是以一次读取一快的形式来进行的，通常是一次读取512个字节，采用这种技术的Flash比较廉价。用户 不能直接运行NAND Flash上的代码，因此好多使用NAND Flash的开发板除了使用NAND Flah以外，还作上了一块小的NOR Flash来运行启动代码。一般小容量的用NOR Flash，因为其读取速度快，多用来存储操作系统等重要信息，而大容量的用NAND FLASH，最常见的NAND FLASH应用是嵌入式系统采用的DOC（Disk On Chip）和我们通常用的“闪盘”，可以在线擦除。 |

从内存分配开始

大家写代码时，应该都会分配内存，不同语言，层次不同，使用的接口不同，不管使用哪种方式，在Linux系统中，基本上都会调用到C库的malloc接口，那就从malloc分配内存开始。

malloc就是用于分配一段内存，但这里分配到的内存并非物理内存，而是虚拟内存，这里没有严格区分虚拟地址、线性地址之类的概念，只会给大家添负担，也不深入讲述物理内存和虚拟内存的概念，书上通常有大量的篇幅介绍，大家可以简单这样理解：

• 虚拟内存就是从进程的角度看，逻辑上的概念，并不实际存在；
• 物理内存就对应物理上内存条上的内存；
• 虚拟内存和物理内存有对应关系；
• 虚拟内存分配时，相应的物理内存还没有分配；

既然虚拟内存并不实际存在，那么分配来有何用处呢，如果要向其中写数据，数据如何写入呢？会写到哪里去呢？

当然，内存分配后就是拿来用的，如果不能用(比如写数据)，那就没有意义了。前面说的虚拟内存和物理内存有对应关系，当分配虚拟内存时，相应的物理内存还没有分配，这里有几个关键问题：

1. 虚拟内存和物理内存的对应关系由谁来负责维护，如何对应？
2. 物理内存何时分配？

虚拟内存到物理内存的映射

先来解答问题1。

由页表来建立虚拟内存到物理内存之间的映射关系。 页表是啥？

简单看，页表就是在内存中的一张表(不详细介绍页表的具体格式啥的，看书就可以了)，可以简单看做一张hash表，记录的是虚拟地址和物理地址的对应关系，每个虚拟地址对应一个表项，通过这张表，就能将虚拟地址转换为物理地址，也就能建立虚拟内存到物理内存的映射关系了。

谁用页表？

页表有了，那谁来用呢？不可能是应用程序自己用吧，我写代码时好像从来都没见过页表？

当然，用户看到的只是虚拟地址(虚拟内存)，其他的对用户都是透明的~

CPU中有个硬件单元，叫MMU(内存管理单元)，页表就是给MMU硬件用的，MMU使用页表进行虚拟地址到物理地址的映射。也就是说，地址映射是由硬件完成的，软件(包括操作系统内核自身)都不管关心。

都说软件不用关心了，那我们为嘛还需要讲页表？

软件只是不用页表而且，但页表的创建和维护都是由软件(操作系统内核)负责的，也就是说我们(软件)创建虚拟内存和物理内存的映射关系，然后由硬件来自动进行地址映射(转换)，我们不需要关心具体的转换过程。

前面说了，页表是在内存中，而页表是由软件创建的，那MMU如果知道页表到底在哪儿呢？

简单说，需要我们(软件)告诉它在哪儿，如何告诉？当然，写寄存器。CPU上有特别的寄存器(CR3)，向其中写入页表的地址，MMU就知道了，然后硬件自己使用即可，我们就不管了。

有多少张页表？

看似一张页表就能完成所有的地址映射了？

当然不行，如果是这样，虚拟内存就没有什么必要存在了。

这里又涉及新概念了:进程，这是操作系统中最基础的概念，其实不“新”。

系统中，所有任务都是以进程方式运行的，每个进程都有自己的独立的虚拟地址空间，好像又说复杂了，简单说，就是每个进程都有自己的虚拟内存，独立代表，其他进程看不到自己的虚拟内存，那么就意味着，每个进程都需要独立的虚拟内存到物理内存的映射，就是说，每个进程都需要自己的页表。

所以，系统中有多少进程，就有多少张页表。

页表创建

前面说了，页表的创建和维护是由操作系统内核完成的，那何时创建页表呢？

如前面所说，每个进程都需要自己的页表，显然，页表需要在进程创建时建立。具体的创建过程和原理就不讲了。

页表的维护

如果维护页表？

当然，进程自己维护，如果维护？

拿前面的例子说，malloc分配虚拟内存后，并没有分配物理内存，也没有建立映射关系，没有修改页表，那到底什么时候，由谁来做映射？

答案是：“缺页异常”。

缺页异常

缺页异常(page fault)又是另一个专业术语，表面上看好像不好理解。

简单看，就是一个异常。什么是异常？这又是硬件上的概念了，具体看看书

简单说，就是硬件上的一种机制，当硬件检测到某种“不对”时，主动触发，然后会自动跳转到异常处理程序处理。异常跟中断类似，区别在于，中断是异步的，由外设触发；异常是同步的，由CPU自己触发；好像又扯远了。

缺页异常就是一种特定的异常，触发条件是：MMU检测到页表项(页表中的项~)不存在。

何时触发缺页异常？

MMU何时会去检测页表项？

当CPU需要访问某个虚拟地址时，比如向某个虚拟地址写数据(memset)，需要将虚拟地址转换成物理地址，此时MMU就会自动去页表中找相应的页表项，如果发现此时相应的页表项(也就是虚拟地址到物理地址的映射关系)还不存在，那么就会自动从硬件层面触发缺页异常。

也就说，缺页异常是硬件自己触发的，条件是当需要访问某个虚拟地址，而该虚拟地址还没有相应的页表项时。

典型的场景就是，当malloc之后，对相应的虚拟地址执行memset操作。

缺页异常中干嘛？

缺页异常后，会跳转到相应的异常处理程序处理，该异常处理程序是内核中提前注册好的，其中要做的主要操作，就是：分配物理内存，然后修改相应进程的页表，建立该物理内存和虚拟内存的映射关系(页表项)。

当然，实际实现要复杂得多，这里不详细描述。

回头看看

再来重头捋一下内存分配过程：

1. 用户态程序使用malloc接口，分配虚拟地址。
2. 用户程序访问该虚拟地址，比如memset。
3. 硬件（MMU）需要将虚拟地址转换为物理地址。
4. 硬件读取页表。
5. 硬件发现相应的页表项不存在，硬件自动触发缺页异常。
6. 硬件自动跳转到page fault的处理程序(内核实现注册好)
7. 内核中的page fault处理程序执行，在其中分配物理内存，然后修改页表(创建页表项)
8. 异常处理完毕，返回程序用户态，继续执行memset相应的操作。

至此，虚拟内存和物理内存都分配完成，并完成映射。

另一个角度看，如果malloc分配内存后，一直不使用，那就一直不会分配物理内存，这种内存分配策略叫延迟分配，有其相应的好处，自己理解一下~

接下来？

本章，从内存分配的角度看了Linux内核中内存管理的关键原理，已经以尽量简单的方式描述了，希望没给大家带来负担~

Linux内存管理还涉及其他很多方面，如：

• 内核自身使用的内存(slab、vmalloc)
• 伙伴系统
• 进程地址空间管理

后面抽空慢慢讲，但都希望能尽量简单，希望大家一看就明白。

c参考资料

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