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Linux 系统的内存分布结构及其之间的关系（持续更新）

news 2025/11/4 11:42:52

Linux 系统的内存分布结构（memory layout / memory organization）是理解操作系统内核、驱动、应用程序内存管理的基础之一。下面将从宏观到微观、从物理内存到虚拟内存的角度，系统地梳理整个结构。

一、整体框架：物理内存 vs 虚拟内存

类型	说明	典型范围（x86_64）
物理内存（Physical Memory）	实际存在的内存条上的存储空间	0x0000_0000 ~ 物理RAM最大地址
虚拟内存（Virtual Memory）	每个进程或内核看到的逻辑地址空间，由MMU映射到物理内存	用户态通常 0x0000_0000_0000_0000 ~ 0x0000_7fff_ffff_ffff

Linux 中每个进程看到的虚拟内存空间都是独立的，通过 页表（Page Table） 映射到共享的物理内存。

二、Linux 内核视角下的内存布局

（1）物理内存布局

在 Linux 启动后，物理内存被划分为以下几个区域（在 /proc/zoneinfo 可以看到）：

区域名	作用	对应体系结构
ZONE_DMA	旧式设备需要的低端物理内存（<16MB）	x86等老平台
ZONE_DMA32	需要 32 位地址的 DMA 设备使用（<4GB）	x86_64平台
ZONE_NORMAL	普通内存区，内核直接映射	通常从 4GB 开始
ZONE_HIGHMEM	高端内存，内核需要临时映射才能访问（32位系统）	仅32位平台

在 64 位 Linux 系统上，通常没有 HIGHMEM，因为虚拟地址空间够大，全部物理内存都可以直接映射。

（2）虚拟地址空间布局（内核空间）

Linux 内核的虚拟地址空间分为：

区域	作用	典型地址（x86_64）
内核空间 (kernel space)	共享于所有进程，由内核使用	`ffff800000000000` ~ `ffffffffffffffff`
直接映射区 (direct mapping region)	将所有物理内存映射到虚拟空间	通常 `ffff888000000000` 开始
vmalloc 区	动态分配非连续物理内存的虚拟区域	`ffffc90000000000` ~ `ffffe8ffffffffff`
模块加载区 (module region)	内核模块加载的虚拟地址	`ffffffffa0000000` 等
fixmap 区	固定映射的一些特殊页（如APIC、IO空间）	高端地址附近

三、用户进程的虚拟内存布局

每个用户进程的虚拟地址空间大致如下（可通过 /proc/<pid>/maps 查看）：

+--------------------------+  高地址
| stack (栈区)            |  <-- 向下增长
+--------------------------+
| mmap() 映射区            |
| (共享库、匿名映射等)     |
+--------------------------+
| heap (堆区)              |  <-- malloc/brk 向上增长
+--------------------------+
| data 段 (已初始化全局变量) |
+--------------------------+
| bss 段 (未初始化全局变量)  |
+--------------------------+
| text 段 (代码段、只读区)   |
+--------------------------+
| NULL (未映射区)          |
+--------------------------+  低地址

用户空间和内核空间之间通常以 TASK_SIZE 分界，比如：

32位系统：TASK_SIZE = 0xC0000000（3GB用户 + 1GB内核）
64位系统：用户空间最大约 128TB 左右（取决于架构）

四、页表与地址转换

CPU 通过 MMU（内存管理单元） 把虚拟地址转换为物理地址。Linux 使用 多级页表结构（4级或5级）：

虚拟地址↓
PGD → P4D → PUD → PMD → PTE → 物理页帧

每一级页表指向下一层的页表基址。每个页的典型大小：

普通页：4KB
大页（HugePage）：2MB 或 1GB

五、查看与分析命令

命令	用途
`cat /proc/meminfo`	系统内存总览
`cat /proc/zoneinfo`	内存分区（ZONE）详情
`cat /proc/iomem`	物理内存映射
`free -h`	查看系统内存使用
`vmstat`, `top`, `htop`	动态查看内存
`pmap <pid>`	查看进程虚拟内存分布
`cat /proc/<pid>/maps`	进程内存映射详情

六、简化示意图（x86_64）

物理内存:
+-------------------------+
| BIOS/设备保留区         |  < 1MB
+-------------------------+
| DMA区 (ZONE_DMA)        |  < 16MB
+-------------------------+
| DMA32区 (ZONE_DMA32)    |  < 4GB
+-------------------------+
| 普通区 (ZONE_NORMAL)    |  > 4GB
+-------------------------+内核虚拟地址空间:
ffff800000000000 ───────────────
│  fixmap, modules, vmalloc     │
│  direct mapping of all RAM    │
│  内核页表、堆栈、代码、数据等   │
───────────────────────────────
0000000000000000 ───────────────
│  用户空间 (text, data, heap,  │
│  stack, mmap, libc, etc.)     │
───────────────────────────────

这三个概念之间确实容易混淆，但它们其实是**“同一个内存系统在不同抽象层次上的三种视角”**。

七、三者的逻辑关系（由底向上）

物理内存（Physical Memory）↑│   MMU页表映射（页级映射、权限控制）│
虚拟内存（Virtual Memory）↑│   内核为不同进程划分虚拟地址空间（空间隔离）│
虚拟地址空间布局（Address Space Layout）↑│   每个进程看到的内存分布（代码段/堆/栈）│
用户进程的虚拟内存布局（User Process Memory Layout）

也就是说：

物理内存 是硬件层面上真实存在的存储单元；
虚拟内存 是 CPU + OS 提供的逻辑抽象，让每个进程都“以为自己独占整块内存”；
虚拟地址空间布局 是虚拟内存被 OS 组织的结构；
用户进程的虚拟内存布局 是其中“属于用户态部分”的子集。

八、逐层详解与对应关系

1. 物理内存（Physical Memory）

硬件真实存在：即 DRAM 芯片中的存储单元。
每个物理页帧有一个编号（PFN，Page Frame Number）。
OS 通过页表把“虚拟页”映射到“物理页帧”。

例：

物理地址：
[0x00000000 - 0x001FFFFF] -> 2MB
[0x00200000 - 0x003FFFFF] -> 2MB
...

2. 虚拟内存（Virtual Memory）

由 MMU（内存管理单元） + 页表（page table） 实现。
每个进程拥有独立的虚拟地址空间（通常64位系统为128TB）。
虚拟页（Virtual Page）通过页表映射到物理页（Physical Page）。

🧩 关键特征：隔离 + 保护

每个进程互不干扰；
访问非法页 → 触发页错误（segfault）。

3. 虚拟地址空间布局（Address Space Layout）

虚拟内存不是乱放的，Linux 内核会为其分区：

用户空间（User Space）
内核空间（Kernel Space）

典型划分（x86_64）：

用户空间：  0x0000_0000_0000_0000  ~  0x0000_7fff_ffff_ffff
内核空间：  0xffff_8000_0000_0000  ~  0xffff_ffff_ffff_ffff

这称为虚拟地址空间布局。
它描述了“整个虚拟内存范围”的全局分布。

4. 用户进程的虚拟内存布局（User Process Memory Layout）

在用户空间内部，Linux 又进一步划分为：

区域	说明	典型增长方向
text	程序代码段	固定
data	已初始化的全局变量	固定
bss	未初始化的全局变量	固定
heap	动态分配区（malloc/brk）	向上增长 ↑
mmap	动态映射区（共享库/匿名映射）	向下增长 ↓
stack	线程栈	向下增长 ↓

简图如下：

高地址
+------------------+
| Stack            |  向下增长
+------------------+
| Mapped files     |
+------------------+
| Heap             |  向上增长
+------------------+
| BSS, Data, Text  |
低地址

九、三者之间的关系总结

层次	描述	映射/包含关系
物理内存	真正的RAM硬件	被“页表”映射到虚拟内存
虚拟内存	OS提供的逻辑内存抽象	由物理页 + 交换区（swap）组成
虚拟地址空间布局	整个虚拟内存空间的结构（用户 + 内核）	定义虚拟内存的全局分区
用户进程虚拟内存布局	用户空间部分的细分结构（代码、堆、栈等）	是虚拟地址空间的一部分

十、举个例子：进程访问内存时的路径

当一个用户进程执行 x = *p; 时：

1️⃣ p 是一个 虚拟地址（属于用户虚拟空间）。
2️⃣ MMU 查页表 → 得到对应的 物理页帧号（PFN）。
3️⃣ 访问该物理页中的内容。
4️⃣ 如果该页还没在内存中（比如在磁盘swap），会触发缺页中断，由内核加载后再返回。

即：

虚拟地址（用户视角）↓  页表映射
物理地址（硬件视角）↓  存取DRAM
实际数据

👉 虚拟内存（Virtual Memory） 是操作系统为了解决“内存有限、程序多样、安全隔离、方便编程”等问题而引入的抽象层。
它让每个进程都“以为”自己拥有独立且连续的完整内存空间。

十一、为什么需要虚拟内存（动机）

假设我们没有虚拟内存，程序直接访问物理内存地址：

程序A加载到物理地址 0x00000000
程序B加载到物理地址 0x00100000

这样会导致一堆问题

问题	说明
① 内存冲突问题	不同程序可能访问同一物理地址，互相覆盖数据。
② 内存分配困难	程序加载地址不连续，碎片化严重。
③ 安全隔离困难	程序可以随意访问别的程序或内核空间。
④ 多任务调度麻烦	程序切换时需要保存和恢复物理地址映射。
⑤ 扩展性差	程序必须适应“物理内存大小限制”。

于是，操作系统与硬件设计者提出了一个“虚拟化”的方案👇

✅ “让每个进程看到的地址空间都一样，但实际背后映射到不同的物理内存。”

十二、虚拟内存的核心思想

1️⃣ 地址虚拟化（Address Virtualization）

每个进程看到的内存空间是“虚拟地址空间”，
通过 MMU（Memory Management Unit） + 页表（Page Table）
把虚拟地址 → 物理地址映射。

🧩 每个进程都以为：
0x00000000 处是程序的起点
实际上不同进程的 0x00000000 会被映射到不同的物理页。

2️⃣ 页式管理（Paging）

把内存分成固定大小的页（通常4KB）：

虚拟内存页（Virtual Page）
物理页帧（Physical Frame）

操作系统通过页表控制两者映射关系。
这样：

虚拟内存可以不连续
物理内存可以动态调度
程序可以只加载部分页

3️⃣ 结合磁盘（Swap / Page Cache）

虚拟内存不仅映射到物理RAM，也可以映射到磁盘文件或交换区（swap）。
当物理内存不足时，不常用的页可以被换出（swap out），
再次访问时再换入（page fault + swap in）。

🧠 这让程序“看起来”拥有的内存空间远大于实际物理内存！

十三、虚拟内存带来的主要优势

目的	描述	举例
✅ 内存保护（隔离）	每个进程拥有独立的地址空间，互不干扰	程序A无法访问程序B的内存
✅ 简化编程模型	程序认为自己有连续内存，不需关心物理碎片	数组/指针可直接用线性地址
✅ 支持多任务并发	操作系统可自由调度不同进程，共享物理内存	任务切换只需切页表
✅ 内存扩展（虚拟化）	可以使用磁盘模拟更多内存	即使RAM只有8GB，也能运行10GB程序
✅ 共享内存机制	允许部分页映射到相同物理页	多进程共享libc.so库
✅ 高效I/O映射	设备寄存器、文件可映射到地址空间	`mmap()`机制

十四、举个直观例子

假设你的电脑只有 4GB RAM，
但你同时运行：

Chrome：需要 2GB
VSCode：需要 1GB
Python：需要 2GB

物理内存总需求 5GB > 实际4GB
👉 通过虚拟内存：

进程	虚拟地址空间	实际物理页	交换区（磁盘）
Chrome	8GB	部分页驻留RAM	冷页换出
VSCode	8GB	部分页驻留RAM	冷页换出
Python	8GB	部分页驻留RAM	冷页换出

每个进程都认为自己“拥有”8GB地址空间，
但 OS 只把当前活跃的部分页保留在 RAM 中，
其他暂时不用的页放到磁盘中。

十五、简化结构图（逻辑示意）

用户视角 (虚拟地址空间)
+------------------------------+
| Stack | Heap | Data | Text   |
+------------------------------+↓ 页表映射
+------------------------------+
| 部分在物理RAM               |
| 部分在磁盘Swap              |
+------------------------------+
物理视角 (真实内存 + 磁盘)

十六、总结一句话

层次	没有虚拟内存时	有了虚拟内存后
内存访问	程序直接操作物理地址	程序操作虚拟地址，系统自动映射
程序隔离	相互影响、容易崩溃	地址空间隔离、安全
内存利用	碎片化严重	灵活调度、支持换页
程序设计	复杂、需考虑实际地址	简单、线性逻辑