------ 小dora 操作系统学习笔记Vol.3 · 内存管理特辑
"小dora 看着
0x7ffdec42一脸疑惑：'这玩意儿真的是内存地址？怎么和隔壁老李的进程一样？'"操作系统默默笑了： "你看到的地址，全是假的。"
🎯 前情提要：为什么操作系统要骗人？
因为在没有虚拟内存之前，程序员写程序像在抢地盘------
- 谁先上，谁先占；
- 想多用点内存？抱歉没了；
- 想多个程序同时跑？彼此踩脚。
于是，操作系统说： "别打了，我给你们每人发一个'虚拟王国'。"
🧱 一、虚拟内存是啥？------ 一场优雅的集体幻觉
📌 巧记口诀：
"地址是假的，运行是真的；彼此隔离，安全高效。"
虚拟内存（Virtual Memory）是一套机制，让每个进程：
- 拥有独立的地址空间
- 访问受保护、不会互相干扰
- 感觉"内存无限大"
- 实际背后是 OS + 硬件 + 魔法三连
🧭 二、地址空间结构：每个进程都住在「豪华假别墅」
📦 Linux 的典型地址空间长这样：
diff
高地址
↓
+----------------------+
| 栈 Stack（向下增长）|
+----------------------+
| mmap 动态映射区 |
+----------------------+
| 堆 Heap（向上增长） |
+----------------------+
| 数据段（静态变量） |
+----------------------+
| 代码段（.text） |
+----------------------+
低地址📌 巧记口诀：
"代码底、数据中，堆向上、栈向下。"
🧮 三、分页机制：把内存切片成「页」方便管理
📌 巧记口诀：
"虚拟地址分两段，页号偏移要记全。"
-
虚拟地址被切成：
- 页号：决定查哪张页表
- 页内偏移：定位页内具体位置
-
每一页常见大小为 4KB（2¹²）
-
每个页映射一个物理页框
🧱 四、多级页表：为啥不能只用一张页表？
📌 巧记口诀：
"页表太大放不下，分级索引省空间。"
以 x86-64 为例（48 位虚拟地址）：
sql
9 + 9 + 9 + 9 + 12
PML4 | PDPT | PD | PT | offset- 每级页表存 512 项（2⁹）
- 每次内存访问需要 最多查 4 次页表
🧠 为什么这样设计？
- 懒加载：只建访问过的页表路径
- 节省空间：没必要为 256TB 的地址建全表
🏎️ 五、TLB：翻表太慢？操作系统说"记下来！"
📌 巧记口诀：
"翻表慢，TLB 缓；缓存页号，快如闪电。"
TLB（Translation Lookaside Buffer）是MMU 内建的小型高速缓存，缓存最近访问的「虚拟页号 ➝ 物理页号」映射。
- 命中：一步搞定
- 未命中：回页表查 ➝ 填 TLB
📌 问题来了：
- TLB 有限（几十到上千条）
- 上下文切换后，TLB 清空 ➝ 重新填充
- 高并发 / 大数据结构访问 ➝ 容易 TLB miss
🧠 六、页表项详解：那些神秘的控制位到底干嘛的？
以 x86 为例，每个页表项（PTE）结构如下：
css
| P | R/W | U/S | A | D | COW | Frame Addr || 位 | 含义 |
|---|---|
| P | Present（页是否存在） |
| R/W | 可读写权限 |
| U/S | 用户 or 内核访问 |
| A | 是否访问过（用于 LRU） |
| D | 是否修改过（dirty） |
| COW | 是否延迟复制标记 |
| Frame Addr | 高位表示物理页框地址 |
🧨 七、Copy-On-Write：fork 不是真复制！
📌 巧记口诀：
"fork 是复制影分身，写时再动真格。"
fork()时父子共享页面，均设为只读、打上 COW 标记- 任意一方试图写入 ➝ Page Fault
- OS 拷贝页面 ➝ 修改页表映射 ➝ 解除只读限制
优点：
- 快速 fork
- 减少内存浪费
- Linux 的
vfork()、Python 的多进程都靠这招
🧬 八、缺页异常与页面置换：你访问的页我还没准备好！
📌 缺页异常（Page Fault）触发流程：
- 访问页未在内存
- CPU 抛出异常 ➝ 进入 OS
- 查磁盘 ➝ 找到页 ➝ 加载到物理内存
- 更新页表 ➝ 恢复进程
📌 页面置换算法：
"LRU 常用不换，FIFO 谁先来谁走。"
| 算法 | 描述 |
|---|---|
| FIFO | 先进先换 |
| LRU | 最近最少使用换出 |
| CLOCK | 模拟时钟 + 引用位，效率高 |
🔍 九、堆 & mmap 的真正分配机制
malloc()小分配 ➝ brk 系统调用（调整 heap）- 大对象 ➝
mmap()分配匿名页 - 栈空间按需增长（page fault + guard page）
🔐 十、内核空间映射与安全隔离
📌 Linux 使用高半区映射策略
- 低地址空间（0x000... 到 0xC000...）：用户态
- 高地址空间：内核页表映射（用户不可访问）
📌 KASLR（内核地址空间布局随机化）防止攻击者利用固定偏移
🧪 面试级练习题
Q1：fork 后父子进程共享内存吗？为什么？
✅ 共享物理内存，但页表不同，写操作会触发 COW
Q2：TLB miss 会引发 Page Fault 吗？
✅ 不会，TLB miss ➝ 查页表；只有页表项无效时才会 Page Fault
Q3：为什么进程间的地址空间都从 0 开始？这不会冲突吗？
✅ 虚拟地址是每个进程独立的一套，物理地址由页表映射，不会冲突
Q4：访问一个未被 mmap 的地址会怎样？
✅ 会引发 Page Fault，系统发现非法访问，抛出 SIGSEGV
🧠 一句话总结
"你看到的内存地址都是假的，但操作系统却把它们变成了每个程序的真世界。"