虚拟内存和物理内存的区别，linux虚拟内存与物理内存映射（电脑有虚拟内存为什么还要内存条）
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- 1、虚拟内存和物理内存的区别：电脑有虚拟内存为什么还要内存条
- 2、虚拟内存和物理内存的区别，linux虚拟内存与物理内存映射
1、虚拟内存和物理内存的区别：电脑有虚拟内存为什么还要内存条
继续为大家科普关于虚拟内存的小知识。之前的文章里我们讲过，电脑系统可以利用硬盘的空间来模拟内存，这时就会有人好奇了：电脑里有虚拟内存了为什么还要内存条?
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我们先来看看下边这张图
上图分别是机械硬盘，固态硬盘，内存以及cpu缓存的速度延迟。既然虚拟内存是利用硬盘模拟的，那它的速度和真正的内存肯定是没法相比的。
在计算机中，所有运行的程序都需要经过内存来执行，可以分为物理内存和虚拟内存，物理内存大小也就是指内存条的容量大小，由于物理内存容量比较小，很容易就塞满了各种应用与数据，为了解决这个问题，WINDOWS运用了虚拟内存技术，即拿出一部分硬盘空间做“内存”来弥补计算机RAM空间的缺乏。
Windows中的虚拟内存
cpu会频繁的访问内存，它必须拥有足够高的读写速度，才不会成为系统性能的瓶颈。那么内存和“虚拟内存”(即硬盘)的速度相差多少呢?
以比较快的SSD为例吧，而且内存是访问小数据比较多，以4K的性能为例：
SSD的性能，其4K读的性能为19.99MB/s
然后将内存模拟为虚拟硬盘，下面是DDR3 1600内存的测试数据：
内存的性能，其4K读的速度为1975MB/s
可以看到，内存的读写性能是硬盘(SSD)的百倍以上，如果换成机械硬盘，更会是千倍以上，当你的电脑内存容量比较小时，经常觉得卡，主要原因就是“虚拟内存”太慢的缘故。
“虚拟内存”只是一个临时解决方案，要想流畅快速，物理内存的大小必须达标。由于大多数人的日常应用有限，基本上8-16GB内存就够用了，如果要处理大型的数据，如视频渲染等，物理内存容量就要求更大了。
扩展：
现在不是很流行吃鸡这个游戏么，这款游戏对于内存容量的要求很高，网上有很多文章提出用虚拟内存来解决这个问题，这个方法虽然有一定的作用，但是治标不治本，毕竟硬盘的速度远不及内存。
2、虚拟内存和物理内存的区别，linux虚拟内存与物理内存映射
- 问题：
- 计算机明明没有那么多内存（n个进程的话就需要n*4G）内存
- 建立一个进程，就要把磁盘上的程序文件拷贝到进程对应的内存中去，对于一个程序对应的多个进程这种情况，浪费内存！
- 每个进程的4G内存空间只是虚拟内存空间，每次访问内存空间的某个地址，都需要把地址翻译为实际物理内存地址
- 所有进程共享同一物理内存，每个进程只把自己目前需要的虚拟内存空间映射并存储到物理内存上。
- 进程要知道哪些内存地址上的数据在物理内存上，哪些不在，还有在物理内存上的哪里，需要用页表来记录
- 页表的每一个表项分两部分，第一部分记录此页是否在物理内存上，第二部分记录物理内存页的地址（如果在的话）
- 当进程访问某个虚拟地址，去看页表，如果发现对应的数据不在物理内存中，则缺页异常
- 缺页异常的处理过程，就是把进程需要的数据从磁盘上拷贝到物理内存中，如果内存已经满了，没有空地方了，那就找一个页覆盖，当然如果被覆盖的页曾经被修改过，需要将此页写回磁盘
总结：- 优点：
- 既然每个进程的内存空间都是一致而且固定的，所以链接器在链接可执行文件时，可以设定内存地址，而不用去管这些数据最终实际的内存地址，这是有独立内存空间的好处
- 当不同的进程使用同样的代码时，比如库文件中的代码，物理内存中可以只存储一份这样的代码，不同的进程只需要把自己的虚拟内存映射过去就可以了，节省内存
- 在程序需要分配连续的内存空间的时候，只需要在虚拟内存空间分配连续空间，而不需要实际物理内存的连续空间，可以利用碎片。
- 另外，事实上，在每个进程创建加载时，内核只是为进程“创建”了虚拟内存的布局，具体就是初始化进程控制表中内存相关的链表，实际上并不立即就把虚拟内存对应位置的程序数据和代码（比如.text .data段）拷贝到物理内存中，只是建立好虚拟内存和磁盘文件之间的映射就好（叫做存储器映射），等到运行到对应的程序时，才会通过缺页异常，来拷贝数据。还有进程运行过程中，要动态分配内存，比如malloc时，也只是分配了虚拟内存，即为这块虚拟内存对应的页表项做相应设置，当进程真正访问到此数据时，才引发缺页异常。
- 虚拟存储器涉及三个概念： 虚拟存储空间，磁盘空间，内存空间
- 可以认为虚拟空间都被映射到了磁盘空间中，（事实上也是按需要映射到磁盘空间上，通过mmap），并且由页表记录映射位置，当访问到某个地址的时候，通过页表中的有效位，可以得知此数据是否在内存中，如果不是，则通过缺页异常，将磁盘对应的数据拷贝到内存中，如果没有空闲内存，则选择牺牲页面，替换其他页面。
- mmap是用来建立从虚拟空间到磁盘空间的映射的，可以将一个虚拟空间地址映射到一个磁盘文件上，当不设置这个地址时，则由系统自动设置，函数返回对应的内存地址（虚拟地址），当访问这个地址的时候，就需要把磁盘上的内容拷贝到内存了，然后就可以读或者写，最后通过manmap可以将内存上的数据换回到磁盘，也就是解除虚拟空间和内存空间的映射，这也是一种读写磁盘文件的方法，也是一种进程共享数据的方法 共享内存
- 在内核态申请内存比在用户态申请内存要更为直接，它没有采用用户态那种延迟分配内存技术。内核认为一旦有内核函数申请内存，那么就必须立刻满足该申请内存的请求，并且这个请求一定是正确合理的。相反，对于用户态申请内存的请求，内核总是尽量延后分配物理内存，用户进程总是先获得一个虚拟内存区的使用权，最终通过缺页异常获得一块真正的物理内存。
- IA32架构中内核虚拟地址空间只有1GB大小（从3GB到4GB），因此可以直接将1GB大小的物理内存（即常规内存）映射到内核地址空间，但超出1GB大小的物理内存（即高端内存）就不能映射到内核空间。为此，内核采取了下面的方法使得内核可以使用所有的物理内存。
- 高端内存不能全部映射到内核空间，也就是说这些物理内存没有对应的线性地址。不过，内核为每个物理页框都分配了对应的页框描述符，所有的页框描述符都保存在mem_map数组中，因此每个页框描述符的线性地址都是固定存在的。内核此时可以使用alloc_pages()和alloc_page()来分配高端内存，因为这些函数返回页框描述符的线性地址。
- 内核地址空间的后128MB专门用于映射高端内存，否则，没有线性地址的高端内存不能被内核所访问。这些高端内存的内核映射显然是暂时映射的，否则也只能映射128MB的高端内存。当内核需要访问高端内存时就临时在这个区域进行地址映射，使用完毕之后再用来进行其他高端内存的映射。
- 由于要进行高端内存的内核映射，因此直接能够映射的物理内存大小只有896MB，该值保存在high_memory中。内核地址空间的线性地址区间如下图所示：
- 从图中可以看出，内核采用了三种机制将高端内存映射到内核空间：永久内核映射，固定映射和vmalloc机制。
- 基于物理内存在内核空间中的映射原理，物理内存的管理方式也有所不同。内核中物理内存的管理机制主要有伙伴算法，slab高速缓存和vmalloc机制。其中伙伴算法和slab高速缓存都在物理内存映射区分配物理内存，而vmalloc机制则在高端内存映射区分配物理内存。
伙伴算法
- 伙伴算法负责大块连续物理内存的分配和释放，以页框为基本单位。该机制可以避免外部碎片。
per-CPU页框高速缓存
- 内核经常请求和释放单个页框，该缓存包含预先分配的页框，用于满足本地CPU发出的单一页框请求。
slab缓存
- slab缓存负责小块物理内存的分配，并且它也作为高速缓存，主要针对内核中经常分配并释放的对象。
vmalloc机制
- vmalloc机制使得内核通过连续的线性地址来访问非连续的物理页框，这样可以最大限度的使用高端物理内存。
- 内核发出内存申请的请求时，根据内核函数调用接口将启用不同的内存分配器。
- 分区页框分配器 (zoned page frame allocator) ,处理对连续页框的内存分配请求。分区页框管理器分为两大部分:前端的管理区分配器和伙伴系统，如下图：
- 管理区分配器负责搜索一个能满足请求页框块大小的管理区。在每个管理区中,具体的页框分配工作由伙伴系统负责。为了达到更好的系统性能,单个页框的申请工作直接通过per-CPU页框高速缓存完成。
- 该分配器通过几个函数和宏来请求页框,它们之间的封装关系如下图所示。
- 这些函数和宏将核心的分配函数__alloc_pages_nodemask()封装,形成满足不同分配需求的分配函数。其中，alloc_pages()系列函数返回物理内存首页框描述符，__get_free_pages()系列函数返回内存的线性地址。
- slab 分配器最初是为了解决物理内存的内部碎片而提出的，它将内核中常用的数据结构看做对象。slab分配器为每一种对象建立高速缓存。内核对该对象的分配和释放均是在这块高速缓存中操作。一种对象的slab分配器结构图如下：
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