关于linux内存映射机制的疑问

Question

今天看x86内存管理，有个疑惑，程序是从硬盘加载到内存。这时内存里存的是虚拟内存，但是这个虚拟内存没有经过cpu的mmu内存管理单元进行段页式地址映射，是怎么转换成虚拟内存，难道通过总线进入内存的时候就是虚拟内存了，但这样好像说不通，难道先进入cpu进行映射吗再到内存去吗

Answer 1

引自免费微信小程序：皆我百晓生

在Linux系统中，内存管理是通过虚拟内存机制实现的，这涉及到多个层次的抽象与转换。当一个程序从硬盘加载到内存时，并非直接加载到物理内存，而是首先被加载到虚拟内存空间。虚拟内存是一个由操作系统提供的抽象概念，它为每个进程提供了独立的、连续的地址空间，而这些地址并不直接对应于物理内存中的地址。

虚拟内存到物理内存的映射过程

1. 程序加载：当程序启动时，其可执行文件（通常位于硬盘）被加载到进程的虚拟地址空间。这个虚拟地址空间是进程的视角，它看到的是一个连续的地址范围，但实际上，这些地址并未立即映射到物理内存。

2. 分页机制：Linux使用分页机制将虚拟地址空间划分为固定大小的页面（通常是4KB）。每个页面都有一个唯一的虚拟地址，但它们并没有直接映射到物理内存的特定位置。相反，操作系统维护了一个页表结构，这个结构记录了虚拟页面到物理页面的映射关系。

3. MMU的作用：CPU的内存管理单元（MMU）负责处理虚拟地址到物理地址的转换。当进程尝试访问一个虚拟地址时，MMU会检查页表，找到对应的物理地址。如果页表中没有对应的条目（即页面不在物理内存中），MMU会触发一个缺页异常，操作系统接收到这个信号后，会将相应的页面从磁盘读入物理内存，并更新页表。

4. TLB缓存：为了加速地址转换过程，MMU内部有一个称为转换查找缓冲区（Translation Lookaside Buffer, TLB）的高速缓存。当MMU成功完成一次虚拟到物理地址的转换时，它会将这对映射存储在TLB中，以便后续的相同地址访问可以直接命中缓存，从而避免了每次访问都查询页表的开销。

总结

• 程序加载时，数据和代码被加载到虚拟地址空间，而不是直接加载到物理内存。
• 通过页表和MMU，虚拟地址被转换为物理地址，这一过程包括页表查询和可能的缺页异常处理。
• TLB缓存用于加速地址转换过程，提高内存访问效率。

这种机制允许操作系统和硬件层面上的高效内存管理，同时为每个进程提供隔离的内存环境，增强了系统的安全性和稳定性。