內存管理子系統是操作系統中最重要的部分之一。

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1、地址類型
物理地址：指出現在CPU外部地址總線上的尋址物理內存的地址信號，是地址變換的最終結果，是內存中實實在在存在的硬件地址。
邏輯地址：程序代碼經過編譯后在匯編程序中使用的地址,C/C++程序中取地址求出來的地址就是邏輯地址。
虛擬地址（線性地址）：在32位CPU架構下，可以表示4G的地址空間，用16進制表示就是0x00000000到0xffffffff。只有啟動分頁機制的時候才有線性地址，如果沒有分頁機制，那么線性地址就是物理地址。

2、地址轉換
CPU要將一個邏輯地址轉換為物理地址，需要兩步：首先CPU利用段式內存管理單元，將邏輯地址轉換成虛擬地址，再利用頁式內存管理單元，把虛擬地址最終轉換為物理地址。
即MMU（內存控制單元）通過分段單元把一個邏輯地址轉為線性地址，接著通過分頁單元把線性地址轉為物理地址。

3、段式管理
（1）16位cpu的段式管理
16位CPU內部擁有20位的地址線，它的尋址范圍就是2的20次方，也就是1M的內存空間。但是16位CPU用于存放地址的寄存器（IP，SP……）只有16位，因此只能訪問65536個存儲單元，64K。
為了能夠訪問1M的內存空間，CPU就采用了內存分段的管理模式，并在CPU內部加入了段寄存器。16位CPU把1M內存空間分為若干個邏輯段，每個邏輯段的要求如下：
a、邏輯段的起始地址(段地址)必須是16的倍數，即最后4個二進制位必須全為0。
b、邏輯段的最大容量為64K。

段寄存器---->
段寄存器是為了對內存進行分段管理而增加的，16位CPU有四個段寄存器，程序可同時訪問四個不同含義的段。
1)CS+IP:用于代碼段的訪問，CS指向存放程序的段基址，IP指向下條要執行的指令在CS段的偏移量，用這兩個寄存器就可以得到一個內存物理地址，該地址存放著一條要執行的指令。

2)SS+SP：用于堆棧段的訪問，SS指向堆棧段的基地址，SP指向棧頂，可以通過SS和SP兩個寄存器直接訪問棧頂單元的內存物理位置。

3)DS+BX：用于數據段的訪問。DS中的值左移四位得到數據段起始地址，再加上BX中的偏移量，得到一個存儲單元的物理地址。

4)ES+BX：用于附加段的訪問。ES中的值左移四位得到附加段起始地，再加上BX中的偏移量，得到一個存儲單元的物理地址。

物理地址的形成方式--->
由于段地址必須是16的倍數，所以值的一般形式為XXXX0H，即前16位二進制位是變化的，后四位是固定的0，鑒于段地址的這種特性，可以只保存前16位二進制位來保存整個段基地址，所以每次使用時要用段寄存器左移補4個0（乘以16）來得到實際的段地址。
在確定了某個存儲單元所屬的段后，只是知道了該存儲單元所屬的范圍（段地址->段地址+65536)，如果想確定該內存單元的具體位置，還必須知道該單元在段內的偏移。有了段地址和偏移量，就可以唯一的確定內存單元在存儲器中的具體位置。
而，邏輯地址=段內偏移量
所以，由邏輯地址得到物理地址的公式為：PA=段寄存器的值*16+邏輯地址

（2）32位cpu的段式管理

段式內存管理（32位cpu）

32位pc的內存管理依然采用“分段”的管理模式，物理地址同樣由段地址和偏移量組成。但既然分為32位和16位，就肯定有不同之處，32位pc采用了兩種不同的工作方式：實模式和保護模式。
1）實模式
在實模式下，32位CPU的內存管理與16位CPU是一致的。最大尋址空間1MB，最大分段64KB。
2）保護模式
段基地址長達32位，每個段的最大容量可達4G，段寄存器的值是段地址的“選擇器”(Selector)，用該“選擇器”從內存中得到一個32位的段地址，存
儲單元的物理地址就是該段地址加上段內偏移量。

3、分頁管理
線性地址被分為固定長度的組，稱為頁。例如，32位的機器，線性地址最大可為4G，如果用4kb為一個頁來劃分，這樣整個線性地址就被劃分為2的20次方個頁。
分頁單元把所有的物理內存也劃分為固定長度的管理單位，它的長度一般與線性地址頁是相同的。

分頁管理中的線性地址和物理地址

分頁管理

如上圖所示，每一個32位的線性地址被劃分為3部分：頁目錄索引（10位）、頁表索引（10位）、偏移（12位）。

分頁管理的步驟---->
1）裝入進程的頁目錄地址（操作系統在調度進程時，把這個地址裝入CR3）
2)根據線性地址的前十位，在頁目錄中，找到對應的索引項，頁目錄中的項是一個頁表的地址
3）根據線性地址的中間十位，在頁表中找到頁的起始地址
4）將頁的起始地址與線性地址與線性地址的最后12位相加，得到物理地址

4、linux頁式管理

linux頁式管理

Linux操作系統采用虛擬內存管理技術，使得每個進程都有獨立的進程地址空間，該空間是大小為3G，用戶看到和接觸的都是虛擬地址，無法看到實際的物理地址。利用這種虛擬地址不但能起到保護操作系統的作用，而且更重要的是用戶程序可使用比實際物理內存更大的地址空間。
Linux將4G的虛擬地址空間劃分為兩個部分——用戶空間與內核空間。用戶進程通常情況下只能訪問用戶空間的虛擬地址，不能訪問內核空間。例外情況是用戶進程通過系統調用訪問內核空間。

虛擬內存

stack:由系統自動分配，地址增長方向是從高到低。第一個進棧的是主函數中的下一條指令（函數調用語句的下一條可執行語句）的地址，然后是函數的各個參數（以從右往左的方式入棧），然后是函數中的局部變量
heap:需要程序員自己申請，并指明大小。以鏈表的形式進行管理，地址增長方向是從低到高。

  char *p1 = (char *)malloc(10);//c語言申請堆的方式
  char *p2 = new char(10);//在c++中申請堆的方式
  注：p1 p2本身在棧中，而分配的10字節則在堆區。

注：關于棧是向低地址增長，而堆向高地址增長，這樣設計可以使得堆和棧可以充分地利用空閑的地址空間

程序執行時的內存分配情況 -->

 int a = 0; //a 在全局已初始化數據區 
 char *p1; //p1 在 BSS 區（未初始化全局變量） 
 main() 
 { 
      int b; //b 在棧區 
      char s[] = "abc"; 
      //s 為數組變量，存儲在棧區， //“abc”為字符串常量，存儲在.rodata常量字符串區
      char *p1，p2; //p1、p2 在棧區 
      char *p3 = "123456"; //123456\0  在.rodata常量字符串區，p3 在棧區 
      static int c =0； //c為局部靜態數據，data數據區 
      p1 = (char *)malloc(10);   //分配得來的 10 個字節的區域在堆區 
      p2 = (char *)malloc(20); //分配得來的 20 個字節的區域在堆區 
      free(p1); 
      free(p2); 
 }

 ------end 

ps:小小總結，望對在路上的你有所幫助。