操作系统内存管理——内存分页

内存管理主要解决：如何使进程的地址空间隔离，如何提高内存的使用效率，如何解决程序运行时的重定位问题？
引入虚拟地址层。

　每个程序都有其独立的虚拟的独立的进程地址空间，可以看到程序A和B的虚拟地址空间都是从0x00000000开始的。我们将两块大小相同的虚拟地址空间和实际物理地址空间一一映射，即虚拟地址空间中的每个字节对应于实际地址空间中的每个字节，这个映射过程由软件来设置映射的机制，实际的转换由硬件来完成。
　1、解决地址空间隔离：比如A访问超过0x00A0000的虚拟地址，内核就会拒绝它；
　2、解决重定位问题：应用程序A只需要关心其虚拟地址空间0x00000000-0x00A00000，而其被映射到哪个物理地址我们无需关心，所以程序永远按照这个虚拟地址空间来放置变量，代码，不需要重新定位。
　3、无法处理内存效率低，因为内存映射机制仍然是以程序为单位，当内存不足时仍然需要将整个程序交换到磁盘，这样内存使用的效率仍然很低。

1、进程1和进程2的虚拟地址空间都被映射到了不连续的物理地址空间内；
2、甚至他们共用了一部分物理地址空间PP3，这就是共享内存；
3、进程1的虚拟页VP2和VP3被交换到了磁盘中，在程序需要这两页的时候，Linux内核会产生一个缺页异常，然后异常管理程序会将其读到内存中。

1、逻辑地址：是由一个段选择符加上一个指定段内相对地址的偏移量(Offset)组成的，表示为 [段选择符：段内偏移量]；

2、虚拟地址：其实就是逻辑地址的段内偏移Offset。所以：
　逻辑地址可以表示为 [段标识符：虚拟地址]；
　驱动代码或者应用程序中所用的地址就是虚拟地址。

虚拟地址是逻辑地址选定完段之后，再偏移得到的；具体过程如下：
（1）先从段选择符（selector）中得到段描述符；
（2）从段描述符中得到段基地址；
（3）线性地址=段基地址+段内偏移（Offset）；

13位的索引号对应到段描述符表中的位置，而T1字段表示使用的是哪个段描述符表。

Linux内核将所有类型的段的 segment base address 都设成0（包括内核数据段、内核代码段、用户数据段、用户代码段等）。那么这样一来所有段都重合了，也就是不分段了，此外由于段限长是地址总线的寻址限度，所以这也就相当于所有段内空间跟整个线性空间重合了。

这样逻辑地址也就简化为了段内的偏移量（逻辑地址=虚拟地址）；由于段基地址变为了0，那么线性地址=逻辑地址=虚拟地址。

所以，在x86 linux内核里，逻辑地址、虚拟地址、线性地址，这是三个地址是一致的。

1、 线性地址页：从管理和效率的角度出发，线性地址被分为固定长度的组，称为页（page）。例如32位机器，线性地址最大可为4G，如果用4KB为页容量，这样将线性地址划分为2^20个页。

2、 物理页：也是**“页框”**。分页单元把所有的物理内存也划分为固定长度的管理单位，它的长度一般与线性地址页是相同。

1、正在使用的页目录的地址放在CPU的CR3寄存器中，是进行地址转换的起始点。
2、每个进程都有其独立的虚拟地址空间，运行一个进程，首先需要将它的页目录地址放到CR3寄存器中，将其他进程保存下来。
3、每一个32位的线性地址被划分三部分：页目录索引（10位）:页表索引（10位）:偏移（12位）。
线性地址分为三部分，每个部分都是一种偏移量；以CR3为起点最终找到物理地址页。

第一步：装入进程的页目录地址（操作系统在调度进程时，把这 地址装入CR3）

第二步：根据线性地址前十位加CR3为偏移量，在页目录下找到对应的索引项即页表地址。

第三步：根据线性地址中间十位加当前页表初始位，在页表下找到对应的索引项即页的起始地址。

第四步：将页的起始地址与线性地址最后12位相加，等到物理地址。

一个页是4kb的物理内存，被内核使用struct page结构体描述，也叫页框；

使用场景：当需要申请连续的页框且数量不定时，如四个五个九个等等；
实现：Linux把所有空闲的页框分组为11块链表，每一个链表上的页框块是固定的。第i条链表中每一个页框都含有2^i个连续页。
比如：如果需要8kb内存，可以从链表1中取一个页框（这个页框包含2^1个页大小，8kb）；最大支持4M内存。

static inline struct page * alloc_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order)
分配2^oder个连续的物理页，并返回一个指向第一个页的page结构体

void *page_address(const struct page *page)
返回page页面所映射的虚拟地址

1、slab层把不同对象划分为高速缓存（cache）组，每一个高速缓存组都可以存放不同类型的对象；
2、每种对象类型对应一个高速缓存（cache）;
3、slab由一个或者多个物理上连续的页（通过伙伴算法申请）组成，每个高速缓存由多个slab组成。

对象：一个或者多个物理上连续的页（伙伴算法链表中的页框）

左侧专门管理高速缓存的列表：cache_chain；
不同的cache中不同的slab的列表，并分为几种状态：
slabs_full：表示管理的对象都已经分配完了；
每个slab由多个物理页构成，物理页上才是被保存的对象