Question

对linux地址空间一段话的疑问？

Linux简化了分段机制，使得虚拟地址与线性地址总是一致，因此，Linux的虚拟地址空间也为0~4G.Linux内核将这4G字节的空间分为两部分。将最高的1G字节(从虚拟地址0xC0000000到0xFFFFFFFF)，供内核使用，称为"内核空间".而将较低的3G字节(从虚拟地址 0x00000000到0xBFFFFFFF)，供各个进程使用，称为"用户空间)。因为每个进程可以通过系统调用进入内核，因此，Linux内核由系统内的所有进程共享。于是，从具体进程的角度来看，每个进程可以拥有4G字节的虚拟空间。
如果实际地址并没有4G这么大的空间，比如X86机器的linux系统，只有2G内存，按上面的描述，内核空间一定会占用1G，那么应用程序空间将只有剩下的1G空间，实际中到底是如何划分的呢？

Answer 1

这个需要了解到操作系统的虚拟内存机制了。操作系统会在硬盘上开辟一块空间，从逻辑上凑够4G的内存地址。内存调度的时候，如果实际的物理内存中没有加载到需要读取的数据块，则会从硬盘上另外开辟的那片swap空间找到，交换进实际物理内存中。

追问

从逻辑上凑够4G？具体含义是什么？我现在是想明白的是地址空间与实际内存空间及两者在系统启动过程中特定的映射关系。是不是按1：3的比例来分配内核与用户空间啊。

追答

上面所有说的例子，都是建立在32位系统的基础上。32位地址，能访问的最大地址空间是4G。这里所说的逻辑上的4G地址，和实际的4G物理内存空间不太一样。实际的物理内存空间可以理解为，实际物理内存（比如2G)+硬盘上划分出来的虚拟内存占用的磁盘空间（swap，大小需要自己配置）（这个和不一定就是4G，也可能比4G小）。当逻辑上的4G地址指向的数据在内存中找不到的时候，这个地址会映射到swap上，然后从swap拷贝到内存中，再返回。
至于内核空间与用户空间的分配，默认是按照1:3的比例来分配内核与用户空间的。当然，也可以在编译内核的时候修改宏定义去自定义内核空间与用户空间的大小。因此，在32位机器上，内核空间默认1G,而在64位机器上，则是16G了。

追问

如1楼所评论，如果物理内存+物理硬盘空间总容量都不够4G的话，我的开发板上内存为64M，硬盘是256M的flash，总共才320M，那这个情况又怎么处理呢？

追答

在你给的例子中，假设内存只为64M，系统是32位，也就是有4G的地址空间。假设这时候起了一个进程，执行malloc尝试分配50M内存。分配内存的时候，会先在虚拟内存占用的“磁盘”上开辟一个50M的空间。当下次需要对这个地址进行访问的时候，管理虚拟地址到物理内存映射的页表，会触发一次缺页异常，这时候操作系统会在物理内存中找到50M空闲的未分配页帧，分配给进程去读写。这就是内存管理的”按需调度"。这时候，如果再malloc，申请50M内存。OK，同样的处理方式，继续在虚拟内存占用的磁盘上开辟一个50M的空间。再次尝试通过虚拟地址访问这个新开辟的虚拟空间，内存管理同样会按需调度的，在物理内存中找到50M空间大小的页帧分配给进程。但这时候问题出现了：实际物理内存中没有那么多的空闲页帧可供分配。这时候，操作系统就会根据调度算法，从原本第一次分配出去的50M空间中，置换出部分页帧的数据，更新到这些页帧相对应的虚拟空间占用的磁盘上，腾出足够的实际物理内存空间供第二次分配。这时候，磁盘已经占用了100M，可是内存依然仍然只是占用64M，进程依然能够执行。但如果这时候，进程再次malloc，尝试申请300M空间，对不起，这时候磁盘上没有足够的空间可供使用了，会报malloc失败。这种情况下，进程最大可占用空间相当于硬盘的大小，为256M。
在这个例子中，如果反过来，假设内存是256M，而硬盘只有64M的话，那么，在第二次申请50M内存的时候就会出错了。但操作系统也允许你关闭虚拟存储器，这时候就不会说需要置换内存中数据到磁盘上。此时，进程最大能占用的实际最大物理地址空间是内存的大小，256M。
再退一步，回答你一开始的问题：如果实际地址并没有4G这么大的空间，比如X86机器的linux系统，只有2G内存，按上面的描述，内核空间一定会占用1G，那么应用程序空间将只有剩下的1G空间，实际中到底是如何划分的呢？

同样根据上面的例子，内存分配，是“按需分配”的。内核空间占用1G的逻辑地址，不一定就占用1G的物理地址。只在当逻辑地址被分配且填充的时候，才会加载到实际内存中。即使内核真的占用了1G的实际内存，由于虚拟存储器（磁盘）的存在，应用程序也依然能够利用虚拟内存的内存页调度机制，获得最大3G的实际地址空间。

Answer 2

虚拟地址4G是指最多4G
实际分配时才把虚拟地址映射到物理地址
需要多少分配多少 按页分 一个页面4KB
物理页可以在物理内存中 也可能在磁盘上
整个系统的内存（包括swap的）不够分了 分配就会失败 即使应用程序还没用到4G