一、物理地址

在说虚拟地址之前先说一下物理地址的相关概念，物理地址即我们在指令中能够实际操作的物理存储空间，CPU内核设计的时候会有自己的寻址空间，通过控制总线，地址总线和数据总线，访问物理地址空间(外设寄存器或者内存)。我们在裸机上运行程序时，使用的都是实际的物理地址，通过物理地址我们可以访问外设寄存器，从而控制对应的外设，也可以访问内存，运行我们加载到内存上的程序。

看起来很合理但是如果我们使用物理地址运行逻辑程序而不对内存加以管理，则很容易出现一些问题。如程序间存储空间没有隔离，导致某个程序可能访问到另一个程序中去；程序结束后释放内存之后，这块内存并不能很好的和其他程序适配，容易造成内存碎片；CPU的寻址空间是和地址总线的位数相关的，现在所说的多少位处理器，说的就是地址总线的位数(一般也指寄存器的位数)，如果是32位处理器，那么处理器内核所能寻址空间大小为4G，一般会分配约3G的寻址空间用来控制内存条，这也是为什么我们的32位机器多加内存条也无法提高机器性能的原因，而我们的64位计算机理论的寻址空间很大，但是一般会受主板的限制，往往不会有那么多的内存条插口，不过我们的个人PC也用不了那么多的内存。由于内存的价格较高，所以我们的个人电脑在没有外加内存条的情况下一般为8G或者16G或者32G，但是随着软件的日益成熟，很多大型软件的运行如果没有很好的管理内存的话，依然是不够用的。所以我们就发现了内存管理的重要性，所以我们的操作系统就“进化”出了虚拟内存机制，来合理的管理和分配我们的内存。

二、虚拟内存

1、虚拟内存原理概述

虚拟内存是内存管理的一种方式，这种方式会在磁盘上划分出一块空间由操作系统管理，当物理内存耗尽时，操作系统会将一部分暂时不运行的程序搬移到这块磁盘上，这就腾出了一部分内存，其实虚拟内存就是来回的处理这些运行和不运行的程序，从而使内存得到充分的利用。操作系统会妥协内存和磁盘上的空间，通过MMU(Memory Management Unit)机制，将这些物理内存转换为虚拟地址。MMU使用专门的集成在SOC上的模块实现，MMU会将物理地址和虚拟地址的映射关系存储在页表中。CPU在访问系统提供的虚拟地址后，会经过MMU的转换，从而访问到物理地址。并且操作系统中的每个进程都会有一份自己的虚拟内存页表，每个进程通过使用页表中的地址就好像每个进程都拥有4G的内存一样。

2、Linux虚拟内存地址空间分布

通过虚拟内存，Linux系统中的每个进程都拥有自己的4G的虚拟内存。这4G的内存如何分布是我们需要掌握的重点，虚拟内存的分布决定着程序如何在内存中装载，即决定了编译器在链接阶段，地址如何重定向。

2.1内核段

每个进程的内核段映射的物理地址是相同的，这个地址空间运行的是内核程序。内核程序是不允许程序直接调用的，需要通过系统提供的接口函数然后进入内核态运行相应的程序。

2.2命令行参数和环境变量是操作系统使用的一些全局变量

2.3栈区

栈区是由高地址向低地址扩展的连续的内存(内存池)，Linux系统虚拟内存中栈的大小为8M，所以我们设计程序时尽量不要使用栈区的空间。栈区由系统分配系统释放，以函数为单位进行栈内存分配，调用函数时，开辟函数栈帧存储函数的局部变量和形参。

2.4堆区

堆区是由低地址向高地址扩展的非连续内存，堆区空间较大，由用户自己管理，因此堆区内存有内存泄漏的风险，所以使用堆区内存一定要考虑释放的问题。堆内存不一定连续，容易产生内存碎片，但是灵活性较高。

2.5BSS段

BSS段存储未初始化的全局变量，BSS段的起始地址和结束地址一般是在编译阶段就固定的，所以BSS段的未初始化的全局变量，系统会自动初始化为0.

2.6data段

data段存储初始化的全局变量

2.7text段

text段存储二进制的程序代码，当运行一个程序的时候，PC寄存器中的值就会存储text的首地址，然后执行text段的程序

2.8其他段

除了这些段外还有只读数据段、符号段等。还可以看到0-4k地址也是一个段，一个指针指向NULL时其实就是指向了这个段，这个段是没有实际的物理地址与其对应的，所以如果对于NULL指针存储数据或者读取数据都会引发错误，至于为什么要分配4k，这可能和内存分配有关，操作系统总不能就分配一个0地址吧。

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