简单了解内存
1. 物理内存与虚拟内存
- 物理内存： 计算机、手机、车机等安装的实际 RAM 芯片。
- 虚拟内存：现代操作系统设计的一种内存管理技术程序。 每个进程看到的、由操作系统提供的一个巨大的、连续的、私有的地址空间（通常 32 位系统为 4GB，64 位系统则大得多）。它是对物理内存的抽象和扩展。
截图展示了 64位操作系统的 虚拟内存空间 和 一个程序的内存布局
浅学知识点：(简单了解一点)
物理内存——————————对应——————————物理地址(Physical Address, PA)
虚拟内存——————————对应——————————虚拟地址(Virtual Address, VA)
可执行文件(程序)中的内存地址都是属于虚拟地址, 通过操作系统分页技术处理，映射到物理地址上。
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32位操作系统： 每个程序都有0x00000000 ~ 0xFFFFFFFF 这么大的虚拟地址空间
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64位操作系统： 每个程序都有0x-0000000000000000 ~ 0xFFFFFFFFFFFFFFFF 这么大的虚拟地址空间
一个程序(如: QQ、微信、网易云音乐)的内存布局(虚拟)：
| 内存区域 | 作用说明 |
|---|---|
| 只读代码段（Text Segment） | 存放程序的可执行机器指令（即编译后的代码）。通常是只读的，防止代码被意外或恶意修改。 |
| 只读数据段（.rodata） | 存放常量数据，如字符串常量、全局常量等。只读，防止运行时修改。 |
| 读写数据段（Data Segment） | 存放已初始化的全局变量和静态变量。程序加载时分配，生命周期贯穿整个程序运行过程。 |
| BSS段（未初始化数据段） | 存放未初始化的全局变量和静态变量。程序启动时自动清零。 |
| 运行时堆（Heap） | 用于动态内存分配（如 malloc、new）。由程序员手动申请/释放，空间较大，向上增长。 |
| 函数栈（Stack） | 用于存放函数调用的局部变量、返回地址、参数等。由系统自动管理，向下增长，函数调用结束后自动释放。 |
一个程序的虚拟地址如何找到它真实的物理地址——————> MMU
MMU（Memory Management Unit，内存管理单元）是操作系统中一个重要的硬件组件，它负责管理 CPU 对内存的访问。MMU 的主要作用是将虚拟内存地址转换为物理内存地址，同时提供内存保护、内存分段、分页等功能，以支持现代操作系统中的多任务处理和内存管理机制。
| 功能模块 | 作用说明 |
|---|---|
| 地址翻译（Address Translation） | 将程序使用的虚拟地址（逻辑地址）转换为实际的物理地址。 |
| 分页管理（Paging） | 将内存划分为固定大小的页面（通常为 4KB）。每个页面可以独立映射到物理内存中的任意位置。 |
| 分段管理（Segmentation） | 将内存划分为不同大小的段，每个段对应程序中的一个逻辑单元（如代码段、数据段）。 |
| 内存保护（Memory Protection） | 确保每个进程只能访问自己分配的内存区域，防止进程之间的相互干扰。 |
| 缓存管理（Cache Management） | 管理 CPU 缓存与物理内存之间的数据一致性，提高内存访问速度。 |
| 内存映射（Memory Mapping） | 允许将设备内存或文件映射到进程的地址空间，方便直接访问硬件设备或文件内容。 |
| 页面置换（Page Replacement） | 当物理内存不足时，选择将某些页面从物理内存置换到磁盘（如交换分区），以释放空间。 |
MMU 的工作原理可以简单概括为以下几个步骤：
- 地址翻译：
- 程序运行时，使用虚拟地址访问内存。
- MMU 使用页表（Page Table）或段表（Segment Table）将虚拟地址转换为物理地址。
- 页表是一个数据结构，记录虚拟页面到物理页面的映射关系。
- 内存保护：
- MMU 检查访问请求是否合法（如是否有读写权限）。
- 如果访问非法，会触发一个异常（如段错误）。
- 页面置换：
- 当物理内存不足时，MMU 会触发页面置换算法，将某些不常用的页面置换到磁盘。
- 当需要访问这些页面时，再从磁盘加载回物理内存。
- 缓存管理：
- MMU 与 CPU 缓存协同工作，确保缓存中的数据与物理内存中的数据保持一致。
- 使用缓存可以显著提高内存访问速度。
2.分页
- 物理内存和虚拟内存都被划分为固定大小的块（通常是 4KB，也有大页的），称为 页帧 或 页。
- 这是现代内存管理的基础，允许非连续分配。
3.页表
- 每个进程都有自己的页表（由内核管理）。
- 它存储着 虚拟页帧 到 物理页帧 的映射关系。
- CPU 的内存管理单元在执行指令访问虚拟地址时，会自动查询页表来完成虚拟地址到物理地址的转换。
- 多级页表：为了解决管理巨大虚拟地址空间带来的页表过大问题，Linux 使用多级页表（如 4 级页表），只有实际使用的部分才需要分配内存。
物理寻址
看的见摸得着的物理内存(也叫运行内存， 平时计算机上的内存条RAM。 8、16、32G等运行内存)， CPU使用物理地址，来访问内存——》物理寻址(Physical Address, PA)
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数据总线：负责传输实际数据
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地址总线：负责传输数据地址的，用来确定到底把数据传输到哪里去(是内存的某个位置，还是某个I/O设备)
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控制总线：负责传输控制信号的，用于控制对于总线的访问
mov %eax, 0x3 将地址0x3起的数据赋值到寄存器eax中
分段寻址
早期x86架构的操作系统，核心内存管理机制，在现代计算机系统中已不再是主流寻址方式，不做介绍，可以AI了解
虚拟寻址
虚拟内存管理技术，CPU使用虚拟地址(Virtual Address , VA)来访问主存。
虚拟地址————“地址转换”————物理地址
好处：
- 使用虚拟寻址的方式， 可以起到内存保护的作用，使得每个程序的内存相互隔离，一个程序的内存不会被其他的程序破坏，从而可以实现，在内存中同时存储多个程序
- 降低用户态程序对内存使用的复杂度
分页寻址
它也是一种 虚拟内存管理技术， CPU 和操作系统通过它，将每个程序使用的 虚拟地址（或逻辑地址） 转换成物理内存上的 物理地址。
目的：
内存抽象：每个程序都感觉自己拥有连续、独立且完整的地址空间（例如 0x0 到 0x7FFFFFFFFFFF），无需关心物理内存的实际布局、碎片或其他程序的存在。
内存保护：操作系统可以为不同的内存页设置访问权限（读、写、执行），防止程序非法访问其他程序或内核的内存。
按需分页：程序启动时并非所有代码和数据都加载到物理内存。当程序访问一个尚未加载的“虚拟页”时，CPU 触发 缺页异常 ，操作系统负责将所需数据从磁盘调入物理内存，然后恢复程序执行。这极大地节省了物理内存。
物理内存扩展：利用磁盘空间作为“后备存储”，使得程序可使用的虚拟地址空间远大于实际安装的物理内存容量。
Linux x86-64 操作系统 支持 ：四级页表、 五级页表
以 1页大小=4kb 为标准， 四级页表为例， 下图展示了一页的概图：
