在當(dāng)今的數(shù)字化時代，計算機早已成為我們生活和工作中不可或缺的伙伴。無論是日常辦公處理文檔，還是運行大型游戲享受沉浸式娛樂體驗，亦或是企業(yè)服務(wù)器高效處理海量數(shù)據(jù)，計算機都需要迅速且穩(wěn)定地對數(shù)據(jù)進行存取。而在這背后，Linux 虛擬內(nèi)存技術(shù)扮演著至關(guān)重要的角色。它就像一位神奇的管家，巧妙地協(xié)調(diào)著物理內(nèi)存與硬盤空間，為計算機系統(tǒng)的高效運轉(zhuǎn)提供堅實保障。

你是否好奇，為何計算機能同時運行多個看似內(nèi)存需求巨大的程序，卻不會因內(nèi)存不足而頻繁卡頓？Linux 虛擬內(nèi)存究竟是如何在幕后默默施展它的 “魔法”，實現(xiàn)內(nèi)存的高效管理和利用的？接下來，就讓我們一同深入 Linux 虛擬內(nèi)存的奇妙世界，從原理到機制，再到優(yōu)化策略，全方位吃透這一關(guān)鍵技術(shù)，探尋它為計算機性能提升帶來的無限可能 。

一、虛擬內(nèi)存技術(shù)

1.1為什么需要使用虛擬內(nèi)存

進程需要使用的代碼和數(shù)據(jù)都放在內(nèi)存中，比放在外存中要快很多。問題是內(nèi)存空間太小了，不能滿足進程的需求，而且現(xiàn)在都是多進程，情況更加糟糕。所以提出了虛擬內(nèi)存，使得每個進程用于3G的獨立用戶內(nèi)存空間和共享的1G內(nèi)核內(nèi)存空間。（每個進程都有自己的頁表，才使得3G用戶空間的獨立）這樣進程運行的速度必然很快了。而且虛擬內(nèi)存機制還解決了內(nèi)存碎片和內(nèi)存不連續(xù)的問題。為什么可以在有限的物理內(nèi)存上達到這樣的效果呢？

1.1虛擬內(nèi)存概述

在深入探討 Linux 虛擬內(nèi)存之前，先來明晰虛擬內(nèi)存的基本概念。虛擬內(nèi)存，簡單來說，是一種內(nèi)存管理技術(shù)，它為每個進程提供了一個獨立的、連續(xù)的地址空間，讓進程誤以為自己擁有一塊完整且足夠大的內(nèi)存空間 ，而無需關(guān)心實際物理內(nèi)存的具體布局和大小限制。這就好比你擁有一個超大的虛擬倉庫，你可以隨意規(guī)劃貨物的擺放位置，而不用擔(dān)心倉庫空間不夠。

虛擬內(nèi)存的主要作用之一是實現(xiàn)內(nèi)存地址轉(zhuǎn)換。在 Linux 系統(tǒng)中，每個進程都有自己的虛擬地址空間，這個空間通過頁表（Page Table）與物理內(nèi)存進行映射。頁表就像是一本地址翻譯字典，負(fù)責(zé)將進程使用的虛擬地址翻譯成實際的物理地址。

當(dāng)程序運行時，它所訪問的內(nèi)存地址都是虛擬地址。例如，當(dāng)程序需要讀取某個變量的值時，它會給出一個虛擬地址。CPU 首先會根據(jù)這個虛擬地址中的頁號（Page Number）在頁表中查找對應(yīng)的物理頁框號（Page Frame Number）。如果頁表中存在這個映射關(guān)系（即頁表項有效），CPU 就可以通過物理頁框號和虛擬地址中的頁內(nèi)偏移（Offset）計算出實際的物理地址，從而訪問到物理內(nèi)存中的數(shù)據(jù)。

但如果頁表中沒有找到對應(yīng)的映射關(guān)系（即發(fā)生缺頁異常，Page Fault），系統(tǒng)會認(rèn)為這個虛擬頁還沒有被加載到物理內(nèi)存中。此時，操作系統(tǒng)會介入，從磁盤的交換區(qū)（Swap Area）或者文件系統(tǒng)中找到對應(yīng)的物理頁，并將其加載到物理內(nèi)存中，同時更新頁表，建立虛擬地址與物理地址的映射關(guān)系。之后，程序就可以通過新建立的映射關(guān)系訪問到數(shù)據(jù)了。

為了更直觀地理解，我們可以把虛擬內(nèi)存想象成一個圖書館的目錄系統(tǒng)。每個進程就像是一個讀者，擁有自己的目錄（虛擬地址空間）。當(dāng)讀者想要查找某本書（訪問數(shù)據(jù)）時，會先在自己的目錄中找到對應(yīng)的條目（虛擬地址），然后通過這個條目去書架（物理內(nèi)存）上找到實際的書。如果書架上沒有這本書（缺頁異常），圖書館管理員（操作系統(tǒng)）就會從倉庫（磁盤）中把書取出來放到書架上，并更新目錄（頁表），以便下次讀者能更快地找到這本書。

例如：對于程序計數(shù)器位數(shù)為32位的處理器來說，他的地址發(fā)生器所能發(fā)出的地址數(shù)目為2^32=4G個，于是這個處理器所能訪問的最大內(nèi)存空間就是4G。在計算機技術(shù)中，這個值就叫做處理器的尋址空間或?qū)ぶ纺芰Α?/span>

照理說，為了充分利用處理器的尋址空間，就應(yīng)按照處理器的最大尋址來為其分配系統(tǒng)的內(nèi)存。如果處理器具有32位程序計數(shù)器，那么就應(yīng)該按照下圖的方式，為其配備4G的內(nèi)存：

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這樣，處理器所發(fā)出的每一個地址都會有一個真實的物理存儲單元與之對應(yīng)；同時，每一個物理存儲單元都有唯一的地址與之對應(yīng)。這顯然是一種最理想的情況。

但遺憾的是，實際上計算機所配置內(nèi)存的實際空間常常小于處理器的尋址范圍，這是就會因處理器的一部分尋址空間沒有對應(yīng)的物理存儲單元，從而導(dǎo)致處理器尋址能力的浪費。例如：如下圖的系統(tǒng)中，具有32位尋址能力的處理器只配置了256M的內(nèi)存儲器，這就會造成大量的浪費：

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另外，還有一些處理器因外部地址線的根數(shù)小于處理器程序計數(shù)器的位數(shù)，而使地址總線的根數(shù)不滿足處理器的尋址范圍，從而處理器的其余尋址能力也就被浪費了。例如：Intel8086處理器的程序計數(shù)器位32位，而處理器芯片的外部地址總線只有20根，所以它所能配置的最大內(nèi)存為1MB：

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在實際的應(yīng)用中，如果需要運行的應(yīng)用程序比較小，所需內(nèi)存容量小于計算機實際所配置的內(nèi)存空間，自然不會出什么問題。但是，目前很多的應(yīng)用程序都比較大，計算機實際所配置的內(nèi)存空間無法滿足。

實踐和研究都證明：一個應(yīng)用程序總是逐段被運行的，而且在一段時間內(nèi)會穩(wěn)定運行在某一段程序里。

這也就出現(xiàn)了一個方法：如下圖所示，把要運行的那一段程序自輔存復(fù)制到內(nèi)存中來運行，而其他暫時不運行的程序段就讓它仍然留在輔存。

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當(dāng)需要執(zhí)行另一端尚未在內(nèi)存的程序段（如程序段2），如下圖所示，就可以把內(nèi)存中程序段1的副本復(fù)制回輔存，在內(nèi)存騰出必要的空間后，再把輔存中的程序段2復(fù)制到內(nèi)存空間來執(zhí)行即可：

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在計算機技術(shù)中，把內(nèi)存中的程序段復(fù)制回輔存的做法叫做“換出”，而把輔存中程序段映射到內(nèi)存的做法叫做“換入”。經(jīng)過不斷有目的的換入和換出，處理器就可以運行一個大于實際物理內(nèi)存的應(yīng)用程序了?；蛘哒f，處理器似乎是擁有了一個大于實際物理內(nèi)存的內(nèi)存空間。于是，這個存儲空間叫做虛擬內(nèi)存空間，而把真正的內(nèi)存叫做實際物理內(nèi)存，或簡稱為物理內(nèi)存。

那么對于一臺真實的計算機來說，它的虛擬內(nèi)存空間又有多大呢？計算機虛擬內(nèi)存空間的大小是由程序計數(shù)器的尋址能力來決定的。例如：在程序計數(shù)器的位數(shù)為32的處理器中，它的虛擬內(nèi)存空間就為4GB。

可見，如果一個系統(tǒng)采用了虛擬內(nèi)存技術(shù)，那么它就存在著兩個內(nèi)存空間：虛擬內(nèi)存空間和物理內(nèi)存空間。虛擬內(nèi)存空間中的地址叫做“虛擬地址”；而實際物理內(nèi)存空間中的地址叫做“實際物理地址”或“物理地址”。處理器運算器和應(yīng)用程序設(shè)計人員看到的只是虛擬內(nèi)存空間和虛擬地址，而處理器片外的地址總線看到的只是物理地址空間和物理地址。

由于存在兩個內(nèi)存地址，因此一個應(yīng)用程序從編寫到被執(zhí)行，需要進行兩次映射。第一次是映射到虛擬內(nèi)存空間，第二次時映射到物理內(nèi)存空間。在計算機系統(tǒng)中，第兩次映射的工作是由硬件和軟件共同來完成的。承擔(dān)這個任務(wù)的硬件部分叫做存儲管理單元MMU，軟件部分就是操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理模塊了。

在映射工作中，為了記錄程序段占用物理內(nèi)存的情況，操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理模塊需要建立一個表格，該表格以虛擬地址為索引，記錄了程序段所占用的物理內(nèi)存的物理地址。這個虛擬地址/物理地址記錄表便是存儲管理單元MMU把虛擬地址轉(zhuǎn)化為實際物理地址的依據(jù)，記錄表與存儲管理單元MMU的作用如下圖所示：

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綜上所述，虛擬內(nèi)存技術(shù)的實現(xiàn)，是建立在應(yīng)用程序可以分成段，并且具有“在任何時候正在使用的信息總是所有存儲信息的一小部分”的局部特性基礎(chǔ)上的。它是通過用輔存空間模擬RAM來實現(xiàn)的一種使機器的作業(yè)地址空間大于實際內(nèi)存的技術(shù)。

從處理器運算裝置和程序設(shè)計人員的角度來看，它面對的是一個用MMU、映射記錄表和物理內(nèi)存封裝起來的一個虛擬內(nèi)存空間，這個存儲空間的大小取決于處理器程序計數(shù)器的尋址空間。

可見，程序映射表是實現(xiàn)虛擬內(nèi)存的技術(shù)關(guān)鍵，它可給系統(tǒng)帶來如下特點：

• 系統(tǒng)中每一個程序各自都有一個大小與處理器尋址空間相等的虛擬內(nèi)存空間；
• 在一個具體時刻，處理器只能使用其中一個程序的映射記錄表，因此它只看到多個程序虛存空間中的一個，這樣就保證了各個程序的虛存空間時互不相擾、各自獨立的；
• 使用程序映射表可方便地實現(xiàn)物理內(nèi)存的共享。

二、Linux 虛擬內(nèi)存工作機制

2.1內(nèi)存映射機制

以存儲單元為單位來管理顯然不現(xiàn)實，因此Linux把虛存空間分成若干個大小相等的存儲分區(qū)，Linux把這樣的分區(qū)叫做頁。為了換入、換出的方便，物理內(nèi)存也就按也得大小分成若干個塊。由于物理內(nèi)存中的塊空間是用來容納虛存頁的容器，所以物理內(nèi)存中的塊叫做頁框。頁與頁框是Linux實現(xiàn)虛擬內(nèi)存技術(shù)的基礎(chǔ)。

虛擬內(nèi)存的頁、物理內(nèi)存的頁框及頁表

在Linux中，頁與頁框的大小一般為4KB。當(dāng)然，根據(jù)系統(tǒng)和應(yīng)用的不同，頁與頁框的大小也可有所變化。

物理內(nèi)存和虛擬內(nèi)存被分成了頁框與頁之后，其存儲單元原來的地址都被自然地分成了兩段，并且這兩段各自代表著不同的意義：高位段分別叫做頁框碼和頁碼，它們是識別頁框和頁的編碼；低位段分別叫做頁框偏移量和頁內(nèi)偏移量，它們是存儲單元在頁框和頁內(nèi)的地址編碼。下圖就是兩段虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存分頁之后的情況：

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為了使系統(tǒng)可以正確的訪問虛存頁在對應(yīng)頁框中的映像，在把一個頁映射到某個頁框上的同時，就必須把頁碼和存放該頁映像的頁框碼填入一個叫做頁表的表項中。這個頁表就是之前提到的映射記錄表。一個頁表的示意圖如下所示：

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頁模式下，虛擬地址、物理地址轉(zhuǎn)換關(guān)系的示意圖如下所示：

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也就是說：處理器遇到的地址都是虛擬地址。虛擬地址和物理地址都分成頁碼（頁框碼）和偏移值兩部分。在由虛擬地址轉(zhuǎn)化成物理地址的過程中，偏移值不變。而頁碼和頁框碼之間的映射就在一個映射記錄表——頁表中。

話說回來，內(nèi)存映射是 Linux 中一種重要的內(nèi)存管理技術(shù)，它允許將一個文件或者其他對象映射到進程的虛擬地址空間中，使得進程可以像訪問內(nèi)存一樣直接訪問文件 。這種技術(shù)的核心優(yōu)勢在于提高了文件訪問的效率，減少了內(nèi)核和用戶空間之間的數(shù)據(jù)拷貝。在 Linux 中，內(nèi)存映射主要通過mmap()系統(tǒng)調(diào)用實現(xiàn)。

mmap()函數(shù)將文件或其他對象映射到虛擬地址空間的一個連續(xù)區(qū)域，返回一個指向映射區(qū)域開始地址的指針 。對該指針進行讀寫操作，實際上就是在訪問文件內(nèi)容。使用munmap()函數(shù)可以解除內(nèi)存映射。例如，在 C 語言中，可以這樣使用mmap()函數(shù)：

#include <sys/mman.h>
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    int fd;
    char *map_start;
    off_t file_size;

    // 打開文件
    fd = open("test.txt", O_RDWR);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        return 1;
    }

    // 獲取文件大小
    file_size = lseek(fd, 0, SEEK_END);
    lseek(fd, 0, SEEK_SET);

    // 創(chuàng)建內(nèi)存映射
    map_start = (char *)mmap(0, file_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (map_start == MAP_FAILED) {
        perror("mmap");
        close(fd);
        return 1;
    }

    // 關(guān)閉文件描述符，映射依然有效
    close(fd);

    // 訪問映射內(nèi)存，就像訪問文件一樣
    printf("Content of file: %s\n", map_start);

    // 修改映射內(nèi)存中的內(nèi)容
    sprintf(map_start, "This is a new content");

    // 解除內(nèi)存映射
    if (munmap(map_start, file_size) == -1) {
        perror("munmap");
        return 1;
    }

    return 0;
}

在這個例子中，首先打開一個文件，然后使用mmap()函數(shù)將文件映射到進程的虛擬地址空間。通過返回的指針map_start，可以像訪問普通內(nèi)存一樣訪問文件內(nèi)容。修改map_start指向的內(nèi)存區(qū)域，實際上就是在修改文件內(nèi)容。最后，使用munmap()函數(shù)解除內(nèi)存映射。

內(nèi)存映射在實際應(yīng)用中有很多場景。比如在共享庫的加載中，多個進程可以映射同一個共享庫文件，實現(xiàn)代碼和數(shù)據(jù)的共享，減少內(nèi)存占用 。在文件 I/O 操作中，對于大文件的讀寫，內(nèi)存映射可以避免頻繁的系統(tǒng)調(diào)用和數(shù)據(jù)拷貝，提高讀寫效率。例如，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通常會使用內(nèi)存映射來處理數(shù)據(jù)文件，加快數(shù)據(jù)的讀取和寫入速度。

2.2請頁與交換

虛存頁面到物理頁框的映射叫做頁面的加載

當(dāng)處理器試圖訪問一個虛存頁面時，首先到頁表中去查詢該頁是否已映射到物理頁框中，并記錄在頁表中。如果在，則MMU會把頁碼轉(zhuǎn)換成頁框碼，并加上虛擬地址提供的頁內(nèi)偏移量形成物理地址后去訪問物理內(nèi)存；如果不在，則意味著該虛存頁面還沒有被載入內(nèi)存，這時MMU就會通知操作系統(tǒng)：發(fā)生了一個頁面訪問錯誤（頁面錯誤），接下來系統(tǒng)會啟動所謂的“請頁”機制，即調(diào)用相應(yīng)的系統(tǒng)操作函數(shù)，判斷該虛擬地址是否為有效地址。

如果是有效的地址，就從虛擬內(nèi)存中將該地址指向的頁面讀入到內(nèi)存中的一個空閑頁框中，并在頁表中添加上相對應(yīng)的表項，最后處理器將從發(fā)生頁面錯誤的地方重新開始運行；如果是無效的地址，則表明進程在試圖訪問一個不存在的虛擬地址，此時操作系統(tǒng)將終止此次訪問。

當(dāng)然，也存在這樣的情況：在請頁成功之后，內(nèi)存中已沒有空閑物理頁框了。這是，系統(tǒng)必須啟動所謂地“交換”機制，即調(diào)用相應(yīng)的內(nèi)核操作函數(shù)，在物理頁框中尋找一個當(dāng)前不再使用或者近期可能不會用到的頁面所占據(jù)的頁框。找到后，就把其中的頁移出，以裝載新的頁面。對移出頁面根據(jù)兩種情況來處理：如果該頁未被修改過，則刪除它；如果該頁曾經(jīng)被修改過，則系統(tǒng)必須將該頁寫回輔存。

系統(tǒng)請頁的處理過程如下所示：

為了公平地選擇將要從系統(tǒng)中拋棄的頁面，Linux系統(tǒng)使用最近最少使用（LRU）頁面的衰老算法。這種策略根據(jù)系統(tǒng)中每個頁面被訪問的頻率，為物理頁框中的頁面設(shè)置了一個叫做年齡的屬性。頁面被訪問的次數(shù)越多，則頁面的年齡最小；相反，則越大。而年齡較大的頁面就是待換出頁面的最佳候選者。

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2.3快表

在系統(tǒng)每次訪問虛存頁時，都要在內(nèi)存的所有頁表中尋找該頁的頁框，這是一個很費時間的工作。但是，人們發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)一旦訪問了某一個頁，那么系統(tǒng)就會在一段時間內(nèi)穩(wěn)定地工作在這個頁上。所以，為了提高訪問頁表的速度，系統(tǒng)還配備了一組正好能容納一個頁表的硬件寄存器，這樣當(dāng)系統(tǒng)再訪問虛存時，就首先到這組硬件寄存器中去訪問，系統(tǒng)速度就快多了。這組存放當(dāng)前頁表的寄存器叫做快表。

總之，使用虛擬存儲技術(shù)時，處理器必須配備一些硬件來承擔(dān)內(nèi)存管理的一部分任務(wù)。承擔(dān)內(nèi)存管理任務(wù)的硬件部分叫做存儲管理單元MMU。存儲管理單元MMU的工作過程如下圖所示：

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(1)頁的共享

在多程序系統(tǒng)中，常常有多個程序需要共享同一段代碼或數(shù)據(jù)的情況。在分頁管理的存儲器中，這個事情很好辦：讓多個程序共享同一個頁面即可。

具體的方法是：使這些相關(guān)程序的虛擬空間的頁面在頁表中指向內(nèi)存中的同一個頁框。這樣，當(dāng)程序運行并訪問這些相關(guān)頁面時，就都是對同一個頁框中的頁面進行訪問，而該頁框中的頁就被這些程序所共享。下圖是3個程序共享一個頁面的例子：

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(2)頁的保護

由上可知，頁表實際上是由虛擬空間轉(zhuǎn)到物理空間的入口。因此，為了保護頁面內(nèi)容不被沒有該頁面訪問權(quán)限的程序所破壞，就應(yīng)在頁表的表項中設(shè)置一些訪問控制字段，用于指明對應(yīng)頁面中的內(nèi)容允許何種操作，從而禁止非法訪問。下圖是頁表項中存放控制信息的一種可能的形式：

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注意：其中的PCD位表示著是否允許高速緩存（cache）。

如果程序?qū)σ粋€頁試圖進行一個該頁控制字段所不允許的操作，則會引起操作系統(tǒng)的一次中斷——非法訪問中斷，并拒絕這種操作，從而保護該頁的內(nèi)容不被破壞。

(3)多級頁表

需要注意的是，頁表是操作系統(tǒng)創(chuàng)建的用于內(nèi)存管理的表格。因此，一個程序在運行時，其頁表也要存放到內(nèi)存空間。如果一個程序只需要一個頁表，則不會有什么問題。但如果，程序的虛擬空間很大的話，就會出現(xiàn)一個比較大的問題。

比如：一個程序的虛擬空間為4GB，頁表以4KB為一頁，那么這個程序空間就是1M頁。為了存儲這1M頁的頁指針，那么這個頁表的長度就相當(dāng)大了，對內(nèi)存的負(fù)擔(dān)也很大了。所以，最好對頁表也進行分頁存儲，在程序運行時只把需要的頁復(fù)制到內(nèi)存，而暫時不需要的頁就讓它留在輔存中。為了管理這些頁表頁，還要建立一個記錄頁表頁首地址的頁目錄表，于是單級頁表就變成了二級頁表。二級頁表的地址轉(zhuǎn)換如下圖所示：

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當(dāng)然，如果程序的虛擬空間更大，那么也可以用三級頁表來管理。為了具有通用性，Linux系統(tǒng)使用了三級頁表結(jié)構(gòu)：頁目錄（Page Directory，PGD）、中間頁目錄（Page Middle Directory，PMD）、頁表（Page Table，PTE）。

2.4Linux的頁表結(jié)構(gòu)

為了通用，Linux系統(tǒng)使用了三級頁表結(jié)構(gòu)：頁目錄、中間頁目錄和頁表。PGD為頂級頁表，是一個pgd_t數(shù)據(jù)類型（定義在文件linux/include/page.h中）的數(shù)組，每個數(shù)組元素指向一個中間頁目錄；PMD為二級頁表，是一個pmd_t數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的數(shù)組，每個數(shù)組元素指向一個頁表；PTE則是頁表，是一個pte_t數(shù)據(jù)類型的數(shù)組，每個元素中含有物理地址。

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為了應(yīng)用上的靈活，Linux使用一系列的宏來掩蓋各種平臺的細(xì)節(jié)。用戶可以在配置文件config中根據(jù)自己的需要對頁表進行配置，以決定是使用三級頁表還是使用二級頁表。

在系統(tǒng)編譯時，會根據(jù)配置文件config中的配置，把目錄include/asm符號連接到具體CPU專用的文件目錄中。例如，對于i386CPU，該目錄符號會連接到include/asm-i386，并在文件pgable-2level-defs.h中定義了二級頁表的基本結(jié)構(gòu)，如下圖：

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其中還定義了：

#define PGDIR_SHIFT 22                        //PGD在線性地址中的起始地址為bit22
#define PTRS_PER_PGD 1024                     //PGD共有1024個表項
#define PTRS_PER_PTE 1024                     //PTE共有1024個表項
#endif

在文件include/asm-i386/pgtable.h中定義了頁目錄和頁表項的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如下：

typedof struct { unsigned long pte_low; } pte_t;                    //頁表中的物理地址，頁框碼
typedof struct { unsigned long pgd; } pgd_t;                        //指向一個頁表
typedof struct { unsigned long pgprot; } pgprot_t;                  //頁表中的各個狀態(tài)信息和訪問權(quán)限

從定義可知，它們都是只有一個長整型類型（32位）的結(jié)構(gòu)體。

注意：如上文的“頁的保護”部分，頁框碼代表物理地址，只需要高20位就夠了（因為頁框的長度為4KB，因此頁內(nèi)偏移12位）。而后12位可以存放各個狀態(tài)信息和訪問權(quán)限。但是Linux并沒有這樣做，反而重新定義了一個結(jié)構(gòu)體來存放，通過“或”運算來將兩者結(jié)合。

2.5Swap 交換機制

首先呢，提一個概念，交換空間（swap space），這個大家應(yīng)該不陌生，在重裝系統(tǒng)的時候，會讓你選擇磁盤分區(qū)，就比如說一個硬盤分幾個部分去管理。其中就會分一部分磁盤空間用作交換，叫做swap space。其實就是一段臨時存儲空間，內(nèi)存不夠用的時候就用它了，雖然它也在磁盤中，但省去了很多的查找時間啊。當(dāng)發(fā)生進程切換的時候，內(nèi)存與交換空間就要發(fā)生數(shù)據(jù)交換一滿足需求。所以啊，進程的切換消耗是很大的，這也說明了為什么自旋鎖比信號量效率高的原因。

那么我們的程序里申請的內(nèi)存的時候，linux內(nèi)核其實只分配一個虛擬內(nèi)存（ 線性地址），并沒有分配實際的物理內(nèi)存。只有當(dāng)程序真正使用這塊內(nèi)存時，才會分配物理內(nèi)存。這就叫做延遲分配和請頁機制。釋放內(nèi)存時，先釋放線性區(qū)對應(yīng)的物理內(nèi)存，然后釋放線性區(qū)；"請頁機制"將物理內(nèi)存的分配延后了，這樣是充分利用了程序的局部性原來，節(jié)約內(nèi)存空間，提高系統(tǒng)吞吐；就是說一個函數(shù)可能只在物理內(nèi)存中呆了一會，用完了就被清除出去了，雖然在虛擬地址空間還在。（不過虛擬地址空間不是事實上的存儲，所以只能說這個函數(shù)占據(jù)了一段虛擬地址空間，當(dāng)你訪問這段地址時，就會產(chǎn)生缺頁處理，從交換區(qū)把對應(yīng)的代碼搬到物理內(nèi)存上來）

Swap 交換機制是 Linux 虛擬內(nèi)存管理的另一個重要組成部分。簡單來說，Swap 是磁盤上的一塊區(qū)域，當(dāng)物理內(nèi)存不足時，系統(tǒng)會將一部分暫時不用的內(nèi)存頁面（Page）交換到 Swap 空間中，騰出物理內(nèi)存給更需要的進程使用 。當(dāng)被交換出去的頁面再次被訪問時，系統(tǒng)會將其從 Swap 空間換回到物理內(nèi)存中。

Swap 交換機制的工作原理涉及到內(nèi)存回收和頁面置換算法。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)存緊張時，內(nèi)核會啟動內(nèi)存回收機制，掃描內(nèi)存中的頁面，選擇一些不常用或最近最少使用的頁面進行回收。如果這些頁面是匿名頁面（沒有關(guān)聯(lián)到文件的內(nèi)存頁面，如進程的堆和?？臻g），就會被交換到 Swap 空間中；如果是文件映射頁面（關(guān)聯(lián)到文件的內(nèi)存頁面，如共享庫、文件緩存等），則會根據(jù)情況進行處理，臟頁面（被修改過的頁面）會被寫回文件，干凈頁面（未被修改過的頁面）可以直接釋放。

Swap 交換機制對系統(tǒng)性能有著重要的影響。當(dāng) Swap 使用頻繁時，說明物理內(nèi)存不足，系統(tǒng)需要頻繁地在物理內(nèi)存和 Swap 空間之間交換頁面，這會導(dǎo)致磁盤 I/O 增加，系統(tǒng)性能下降 。因為磁盤的讀寫速度遠遠低于內(nèi)存，過多的 Swap 操作會使系統(tǒng)變得遲緩。因此，在實際應(yīng)用中，需要合理配置 Swap 空間的大小，并密切關(guān)注系統(tǒng)的內(nèi)存使用情況，避免 Swap 過度使用。

例如，可以通過調(diào)整/proc/sys/vm/swappiness參數(shù)來控制系統(tǒng)對 Swap 的使用傾向，swappiness的值范圍是 0 - 100，表示系統(tǒng)將內(nèi)存頁面交換到 Swap 空間的傾向程度，值越大表示越傾向于使用 Swap 。一般來說，對于內(nèi)存充足的系統(tǒng)，可以將swappiness設(shè)置為較低的值，如 10 或 20，以減少不必要的 Swap 操作；對于內(nèi)存緊張的系統(tǒng)，可以適當(dāng)提高swappiness的值，但也要注意不要過高，以免嚴(yán)重影響性能。

三、Linux 虛擬內(nèi)存管理工具

在 Linux 系統(tǒng)中，有多個實用工具可以幫助我們查看和管理虛擬內(nèi)存，了解系統(tǒng)的內(nèi)存使用狀態(tài)，下面介紹幾個常用的命令。

3.1top 命令

top命令是一個功能強大的系統(tǒng)監(jiān)控工具，它能夠?qū)崟r顯示系統(tǒng)中各個進程的資源使用情況，包括CPU、內(nèi)存等 。通過 top 命令，我們可以直觀地了解到系統(tǒng)中哪些進程占用了較多的虛擬內(nèi)存。在終端中輸入 “top”，即可啟動該命令，其輸出結(jié)果大致如下：

top - 14:20:12 up 2 days,  1:23,  2 users,  load average: 0.00, 0.01, 0.05
Tasks: 152 total,   1 running, 151 sleeping,   0 stopped,   0 zombie
%Cpu(s):  0.3 us,  0.3 sy,  0.0 ni, 99.3 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  0.0 si,  0.0 st
KiB Mem :  8161844 total,  7433924 free,   149744 used,   578176 buff/cache
KiB Swap:  2097148 total,  2097148 free,        0 used.  7663360 avail Mem

  PID USER      PR  NI    VIRT    RES    SHR S  %CPU %MEM     TIME+ COMMAND
    1 root      20   0   12844   7448   4564 S   0.0  0.1   0:02.33 systemd
    2 root      20   0       0      0      0 S   0.0  0.0   0:00.00 kthreadd

在 top 命令的輸出中，與虛擬內(nèi)存相關(guān)的主要是 “VIRT” 列，它表示進程使用的虛擬內(nèi)存總量，單位為 KB 。例如，上述輸出中 PID 為 1 的 systemd 進程，其 VIRT 值為 12844KB，表示該進程使用了 12844KB 的虛擬內(nèi)存。此外，“RES” 列表示進程使用的物理內(nèi)存大小，“SHR” 列表示共享內(nèi)存大小 。通過觀察這些指標(biāo)，我們可以了解每個進程對內(nèi)存資源的占用情況，判斷是否存在內(nèi)存使用異常的進程。在實際應(yīng)用中，如果發(fā)現(xiàn)某個進程的 VIRT 值持續(xù)增長且占用大量虛擬內(nèi)存，可能需要進一步分析該進程的行為，看是否存在內(nèi)存泄漏等問題。比如，在一個長時間運行的服務(wù)器程序中，如果其 VIRT 值不斷上升，而業(yè)務(wù)量并沒有明顯增加，就需要檢查程序代碼，查看是否有未釋放的內(nèi)存資源。

3.2free 命令

free 命令用于顯示系統(tǒng)內(nèi)存的使用情況，包括物理內(nèi)存和虛擬內(nèi)存（交換空間） 。它可以幫助我們快速了解系統(tǒng)內(nèi)存的整體使用狀態(tài)，判斷是否存在內(nèi)存不足的情況。在終端中輸入 “free”，輸出結(jié)果如下：

total        used        free      shared  buff/cache   available
Mem:        8161844      149744     7433924       34624     578176     7663360
Swap:       2097148           0     2097148

在 free 命令的輸出中，“total” 表示系統(tǒng)內(nèi)存的總量，“used” 表示已使用的內(nèi)存量，“free” 表示空閑內(nèi)存量，“shared” 表示共享內(nèi)存量，“buff/cache” 表示緩沖區(qū)和緩存使用的內(nèi)存量，“available” 表示應(yīng)用程序還可以申請到的內(nèi)存 。其中，與虛擬內(nèi)存相關(guān)的是 “Swap” 部分，“Swap total” 表示交換空間的總量，“Swap used” 表示已使用的交換空間量，“Swap free” 表示空閑的交換空間量 。例如，上述輸出中 Swap total 為 2097148KB，Swap used 為 0KB，Swap free 為 2097148KB，說明當(dāng)前系統(tǒng)的交換空間未被使用，這通常是一個比較理想的狀態(tài)，意味著系統(tǒng)的物理內(nèi)存充足，不需要頻繁地進行內(nèi)存交換操作。如果 Swap used 的值較大，說明系統(tǒng)的物理內(nèi)存可能不足，需要將一部分內(nèi)存數(shù)據(jù)交換到磁盤的交換空間中，這可能會導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降，因為磁盤的讀寫速度遠遠低于內(nèi)存。在這種情況下，我們可以考慮增加物理內(nèi)存，或者優(yōu)化系統(tǒng)的內(nèi)存使用，減少不必要的內(nèi)存占用。

3.3vmstat 命令

vmstat（Virtual Memory Statistics）命令用于顯示虛擬內(nèi)存統(tǒng)計信息，同時也可以展示進程、CPU、I/O 等系統(tǒng)整體運行狀態(tài) 。它提供了更詳細(xì)的內(nèi)存使用信息，對于深入分析系統(tǒng)性能非常有幫助。在終端中輸入 “vmstat”，輸出結(jié)果如下：

procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
 r  b   swpd   free   buff  cache   si   so    bi    bo   in   cs us sy id wa st
 1  0      0 7433924 149744 578176    0    0     1     1    1    1  0  0 100  0  0

在 vmstat 命令的輸出中，與虛擬內(nèi)存相關(guān)的字段有 “swpd”“si” 和 “so” ?！皊wpd” 表示使用的虛擬內(nèi)存量（單位為 KB），“si” 表示從磁盤交換到內(nèi)存的內(nèi)存量（單位為 KB/s），“so” 表示從內(nèi)存交換到磁盤的內(nèi)存量（單位為 KB/s） 。例如，上述輸出中 swpd 為 0，表示當(dāng)前系統(tǒng)沒有使用虛擬內(nèi)存；si 和 so 都為 0，表示當(dāng)前沒有發(fā)生內(nèi)存交換操作。

當(dāng) si 和 so 的值不為 0 時，說明系統(tǒng)正在進行內(nèi)存交換，數(shù)值越大，說明內(nèi)存交換越頻繁，這可能會對系統(tǒng)性能產(chǎn)生較大影響，需要進一步分析原因，采取相應(yīng)的優(yōu)化措施，如增加物理內(nèi)存、調(diào)整應(yīng)用程序的內(nèi)存使用策略等。此外，vmstat 命令還可以通過指定刷新時間間隔和刷新次數(shù)來持續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，例如 “vmstat 2 10” 表示每 2 秒刷新一次，共刷新 10 次，這樣可以更直觀地觀察系統(tǒng)內(nèi)存使用情況的變化趨勢。

四、Linux 虛擬內(nèi)存優(yōu)化策略

4.1調(diào)整內(nèi)核參數(shù)

在 Linux 系統(tǒng)中，通過調(diào)整內(nèi)核參數(shù)可以對虛擬內(nèi)存的性能進行優(yōu)化 。其中，vm.swappiness是一個非常重要的內(nèi)核參數(shù)，它的值表示系統(tǒng)將內(nèi)存頁面交換到 Swap 空間的傾向程度，取值范圍是 0 - 100 。當(dāng)vm.swappiness的值為 0 時，系統(tǒng)盡量不使用 Swap 空間，只有在物理內(nèi)存完全耗盡時才會考慮交換；當(dāng)值為 100 時，系統(tǒng)會非常積極地將內(nèi)存頁面交換到 Swap 空間 。

可以使用sysctl命令來查看和臨時修改vm.swappiness的值。例如，要查看當(dāng)前vm.swappiness的值，可以在終端中輸入：

sysctl vm.swappiness

如果要將vm.swappiness的值臨時修改為 10，可以使用以下命令：

sysctl vm.swappiness=10

這種修改在系統(tǒng)重啟后會失效。如果想要永久修改vm.swappiness的值，可以編輯/etc/sysctl.conf文件，添加或修改vm.swappiness = 10這一行，然后執(zhí)行sysctl -p使修改生效 。

vm.vfs_cache_pressure也是一個重要的內(nèi)核參數(shù)，它控制著文件系統(tǒng)緩存（VFS Cache）被回收的傾向 。該參數(shù)的值越大，文件系統(tǒng)緩存就越容易被回收；值越小，文件系統(tǒng)緩存就越不容易被回收 。默認(rèn)值通常為 100。如果系統(tǒng)中文件 I/O 操作頻繁，可以適當(dāng)降低vm.vfs_cache_pressure的值，以減少文件系統(tǒng)緩存的回收，提高文件訪問性能 。同樣，可以使用sysctl命令來查看和修改這個參數(shù)，例如：

sysctl vm.vfs_cache_pressure
sysctl vm.vfs_cache_pressure=50

修改內(nèi)核參數(shù)對虛擬內(nèi)存性能有著顯著的影響。合理調(diào)整vm.swappiness可以避免系統(tǒng)過度依賴 Swap 空間，減少磁盤 I/O 操作，提高系統(tǒng)整體性能 。如果vm.swappiness設(shè)置過高，系統(tǒng)頻繁進行內(nèi)存交換，會導(dǎo)致磁盤 I/O 負(fù)載增加，系統(tǒng)響應(yīng)變慢；如果設(shè)置過低，當(dāng)物理內(nèi)存不足時，可能會導(dǎo)致進程因無法獲取足夠內(nèi)存而被終止 。而調(diào)整vm.vfs_cache_pressure則可以優(yōu)化文件系統(tǒng)緩存的使用，提高文件讀寫效率，對于那些依賴文件系統(tǒng)的應(yīng)用程序（如數(shù)據(jù)庫、文件服務(wù)器等）來說，合理設(shè)置該參數(shù)能有效提升其性能 。

4.2優(yōu)化應(yīng)用程序

應(yīng)用程序的內(nèi)存使用方式對虛擬內(nèi)存性能有著直接的影響 。在實際開發(fā)中，常常會出現(xiàn)應(yīng)用程序內(nèi)存使用不當(dāng)?shù)那闆r，從而導(dǎo)致虛擬內(nèi)存的浪費和系統(tǒng)性能的下降 。比如，在一些 Web 應(yīng)用程序中，可能會存在內(nèi)存泄漏的問題。以使用 Python 的 Flask 框架開發(fā)的 Web 應(yīng)用為例，如果在視圖函數(shù)中創(chuàng)建了大量的對象，卻沒有及時釋放，隨著時間的推移，這些未釋放的對象會占用越來越多的內(nèi)存，導(dǎo)致虛擬內(nèi)存不斷增加 。假設(shè)我們有如下代碼：

from flask import Flask

app = Flask(__name__)

@app.route('/')
def index():
    data = []
    for i in range(10000):
        # 創(chuàng)建大量對象但未及時釋放
        obj = {'key': i}
        data.append(obj)
    return 'Hello, World!'


if __name__ == '__main__':
    app.run()

在這個簡單的示例中，每次訪問/路由時，都會創(chuàng)建 10000 個字典對象并添加到data列表中，但在函數(shù)結(jié)束后，這些對象并沒有被及時釋放，會造成內(nèi)存浪費。為了優(yōu)化應(yīng)用程序的內(nèi)存使用，可以采用以下方法：

首先，使用內(nèi)存分析工具（如 Python 中的memory_profiler、C++ 中的Valgrind等）來檢測應(yīng)用程序中的內(nèi)存泄漏和不合理的內(nèi)存使用 。通過這些工具，可以定位到具體的代碼行，找出內(nèi)存問題的根源 。其次，合理設(shè)計數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法，減少不必要的內(nèi)存占用 。比如，在存儲大量整數(shù)數(shù)據(jù)時，如果數(shù)據(jù)范圍較小，可以使用uint8_t（無符號 8 位整數(shù)）類型代替int（通常為 32 位或 64 位整數(shù)）類型，這樣可以節(jié)省內(nèi)存空間 。

另外，對于一些頻繁創(chuàng)建和銷毀的對象，可以考慮使用對象池技術(shù) 。以數(shù)據(jù)庫連接池為例，在一個 Web 應(yīng)用中，如果每次處理請求都創(chuàng)建新的數(shù)據(jù)庫連接，會消耗大量資源。使用數(shù)據(jù)庫連接池后，可以預(yù)先創(chuàng)建一定數(shù)量的數(shù)據(jù)庫連接對象，當(dāng)有請求時，直接從連接池中獲取連接，使用完畢后再放回連接池，避免了頻繁創(chuàng)建和銷毀連接對象帶來的開銷 。

優(yōu)化應(yīng)用程序的內(nèi)存使用對虛擬內(nèi)存性能有著重要的作用。通過減少內(nèi)存泄漏和優(yōu)化內(nèi)存使用，可以降低應(yīng)用程序?qū)μ摂M內(nèi)存的需求，減少系統(tǒng)內(nèi)存管理的負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)的整體性能和穩(wěn)定性 。當(dāng)應(yīng)用程序能夠高效地使用內(nèi)存時系統(tǒng)可以將更多的內(nèi)存資源分配給其他需要的進程，避免因內(nèi)存不足而導(dǎo)致的頻繁內(nèi)存交換和系統(tǒng)性能下降 。

4.3合理配置 Swap 空間

Swap空間的大小和配置對系統(tǒng)性能有著顯著的影響 。如果Swap空間設(shè)置得太小，當(dāng)物理內(nèi)存不足時，系統(tǒng)可能無法及時將內(nèi)存頁面交換到 Swap 空間中，導(dǎo)致進程因無法獲取足夠內(nèi)存而出現(xiàn)異常，甚至系統(tǒng)崩潰 。相反，如果Swap空間設(shè)置得過大，會占用過多的磁盤空間，而且在系統(tǒng)不需要使用Swap空間時，這些空間就被浪費了 。

在 Linux 系統(tǒng)中，可以通過創(chuàng)建交換分區(qū)或交換文件的方式來設(shè)置 Swap 空間 。以創(chuàng)建交換文件為例，首先需要使用dd命令創(chuàng)建一個指定大小的文件，例如創(chuàng)建一個大小為 2GB 的交換文件：

sudo dd if=/dev/zero of=/swapfile bs=1M count=2048

上述命令中，if=/dev/zero表示從/dev/zero設(shè)備讀取數(shù)據(jù)（/dev/zero是一個特殊的設(shè)備文件，它會不斷返回 0 值字節(jié)流），of=/swapfile表示將數(shù)據(jù)寫入到/swapfile文件中，bs=1M表示每次讀寫的數(shù)據(jù)塊大小為 1MB，count=2048表示總共讀寫 2048 次，即創(chuàng)建一個 2GB 大小的文件 。

創(chuàng)建好文件后，需要使用mkswap命令將其格式化為交換文件：

sudo mkswap /swapfile

最后，使用swapon命令啟用這個交換文件：

sudo swapon /swapfile

如果希望系統(tǒng)在每次啟動時自動啟用這個交換文件，可以將其添加到/etc/fstab文件中，在文件末尾添加一行：

/swapfile none swap sw 0 0

除了設(shè)置 Swap 空間的大小，還可以設(shè)置 Swap 空間的優(yōu)先級 。在 Linux 系統(tǒng)中，每個 Swap 設(shè)備都有一個優(yōu)先級，取值范圍是 - 2^31 到 2^31 - 1 。優(yōu)先級較高的 Swap 設(shè)備會優(yōu)先被使用 ?？梢允褂胹wapon命令的-p選項來設(shè)置 Swap 設(shè)備的優(yōu)先級，例如：

sudo swapon -p 10 /swapfile

上述命令將/swapfile這個交換文件的優(yōu)先級設(shè)置為 10 。如果系統(tǒng)中有多個 Swap 設(shè)備，可以根據(jù)實際需求為它們設(shè)置不同的優(yōu)先級，以優(yōu)化內(nèi)存交換的性能 。比如，對于讀寫速度較快的 SSD 磁盤上的 Swap 分區(qū)，可以設(shè)置較高的優(yōu)先級，使其在內(nèi)存交換時優(yōu)先被使用，減少因磁盤 I/O 速度慢而導(dǎo)致的性能下降 。