操作系统：详解物理内存与虚拟内存，用户空间与内核态空间

目录

0、基础知识：磁盘与物理内存

1、 通过虚拟地址访问物理内存

1.1 虚拟内存：

1.2 虚拟内存的优势：

1.3 举例说明：

 2、用户空间与内核态空间

2.1 为什么进程的寻址空间要划分为用户空间与内核态空间两部分？？不划分呢？

2.2 划分这两部分空间后，用户的IO过程是什么？

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0、基础知识：磁盘与物理内存

        磁盘是一种永久性存储介质，通常采用磁性材料制成。它的优点在于容量大、价格低廉、数据可以长期保存等特点。硬盘、光盘、U盘等都属于磁盘存储介质。磁盘上的数据需要通过读写头进行读写，并且相对于内存来说访问速度较慢，因此一般主要用来存储文件和数据，如操作系统、应用程序和用户数据等。

        物理内存（Physical Memory）也称为随机存储器（Random Access Memory，RAM），是计算机系统中的主要内存储器，具有读写速度快、能够直接访问等特点。物理内存是由存储芯片组成，可以在短时间内存取任何一块数据。它是计算机系统中的主要内存储器，用于存储当前正在运行的程序和数据，以便CPU随时读取和计算。物理内存的容量通常比磁盘小得多，但运行速度更快。计算机启动时，操作系统会把部分程序和数据加载到物理内存中，使其能够被CPU快速读取和执行。

        总的来说，磁盘能够保存更多数据，但读取慢，而内存反之。
        因此在操作数据时经常先读入内存在进行操作，但实际上， 电脑内的应用程序和内核空间都无法直接访问物理内存，原因如下：

1、 通过虚拟地址访问物理内存

        即使应用程序或内核空间已经加载到内存中，它们依然无法直接访问物理内存，而必须通过虚拟地址进行访问。这是因为：操作系统需要保证每个进程之间访问内存的隔离性，以避免恶意进程篡改其他进程的内存数据。因此，操作系统会对每个进程的内存操作进行监控和管理，保证每个进程只能访问自己的虚拟地址空间。（因为俩字，安全！）

 1.1 虚拟内存：

        简言之，将一部分硬盘空间作为虚拟内存，让应用程序认为自己有更多的内存可用。

        虚拟内存是在磁盘上的一部分空间。当物理内存不足时，操作系统会将不常用的页（Page）或程序暂停使用的页从物理内存中换出（Swap out）到硬盘上的虚拟内存中，以释放空间供活跃进程（Active Process）使用。反之，当一个进程需要访问物理内存中没有被装入的页时，操作系统就会将这些页从磁盘上读取到物理内存中，供该进程进行访问和使用。

        通常，每个进程都拥有自己的虚拟内存空间，该空间被分为多个固定大小的页（Page），与物理内存相对应。当一个进程要访问某个页时，操作系统会将该页从磁盘中装载到物理内存中，并返回给该进程一个指向该页在物理内存中位置的指针（虚拟地址），使得进程可以像访问物理内存一样访问虚拟内存。

1.2 虚拟内存的优势：

（1）内存的动态分配和管理：进程只需要访问部分虚拟内存，而不需要将整个地址空间全部加载到物理内存中。当物理内存不足时，操作系统会选择一些不活跃的页（即长时间没有被访问过的页）进行置换，将其从物理内存中移出，并将需要访问的新页从磁盘中读入到物理内存中，从而实现了内存的动态分配和管理。

（2）虚拟内存的另一个好处是，它使得进程可以访问不连续的物理地址空间，因为虚拟地址是由操作系统进行映射，与实际物理地址没有直接的关系。这样就允许了操作系统对内存地址的动态分配和管理，从而提高了系统的可靠性、安全性和灵活性。

1.3 举例说明：

        比如一个进程要读取它内存中的变量 var，var 的虚拟地址为 0x1000，而它对应的物理地址是 0x2000。这时候，操作系统需要将进程中的虚拟地址 0x1000 映射到物理地址 0x2000，以便进程能够顺利地访问该变量。

        当进程访问一个虚拟地址时，CPU 会发起一个页表查找请求，将该虚拟地址转换成对应的物理地址，然后再进行访问。页表则是一张表格，记录了虚拟地址和物理地址之间的对应关系，由操作系统维护并根据需要进行更新。这是由CPU自动完成的。

 2、用户空间与内核态空间

2.1 为什么进程的寻址空间要划分为用户空间与内核态空间两部分？？不划分呢？

        我们知道，计算机硬件包括，如cpu，内存，网卡等等，内核（通过寻址空间）可以操作硬件的，但是内核需要不同设备的驱动，有了这些驱动之后，内核就可以去对计算机硬件去进行 内存管理，文件系统的管理，进程的管理等等。
        当我们想要用户的应用来访问，计算机就必须要通过对外暴露的一些接口，才能访问到，从而简介的实现对内核的操控，但是内核本身上来说也是一个应用，所以他本身也需要一些内存，cpu等设备资源，用户应用本身也在消耗这些资源，如果不加任何限制，用户去操作随意的去操作我们的资源，就有可能导致一些冲突，甚至有可能导致我们的系统出现无法运行的问题，因此我们需要把用户和内核隔离。
        总结：为了安全与稳定。

2.2 划分这两部分空间后，用户的IO过程是什么？

        Linux系统为了提高IO效率，会在用户空间和内核空间都加入缓冲区buffer：

        写数据时，要把用户缓冲数据拷贝到内核缓冲区，然后写入设备

        读数据时，要从设备读取数据到内核缓冲区，然后拷贝到用户缓冲区

        针对这个操作：我们的用户在写读数据时，会去向内核态申请，想要读取内核的数据，而内核数据要去等待驱动程序从硬件上读取数据，当从磁盘上加载到数据之后，内核会将数据写入到内核的缓冲区中，然后再将数据拷贝到用户态的buffer中，然后再返回给应用程序，整体而言，速度慢，就是这个原因，为了加速，我们希望read也好，还是wait for data也最好都不要等待，或者时间尽量的短。