CPU竟然才是管理内存的大BOSS ？

2022-08-19 10:08:42

大家好，我是小风哥。

对于C/C++程序员来说，内存分配再正常不过，C语言中的malloc：

int* a = (int*)malloc(sizeof(int));

C++中的new：

int* a = new int(10);

接下来的问题是变量a占用的内存是谁给我们分配的呢？

答案是运行在用户态的内存分配器，如果你愿意，也可以绕过内存分配器自己来管理内存。

接下来的问题是a占用的内存在哪里呢？

答案是进程地址空间中的堆区，堆区在这里：

内存中真的有像图中这样的布局吗？

答案是：没有。

这就是所谓的虚拟内存。

既然是虚拟内存那么这里的堆区又是从哪里来的呢？

答案是操作系统。

当我们在C/C++中分配内存时，内存分配器从堆区中找到可用内存，但如果没有找到则向操作系统申请。

那么操作系统又是从哪里找到的内存呢？

答案是：操作系统从物理内存中找到一块可用内存分配出去。

问题来了，既然操作系统管理的是物理内存，而操作系统分配给进程的又是虚拟内存，精神分裂啊有没有，这是怎么一回事呢？

原来这并不冲突，操作系统会为每个进程分配一张表，记录了从虚拟内存到物理内存的映射，这张表就叫页表。

因此，尽管操作系统管理的是物理内存，但进程或者说程序员是看不到物理内存的，我们只能看到虚拟内存，程序运行时在发送内存读写指令时MMU会将虚拟内存转换为物理内存。

接下来的问题是页表在哪里？

答案是：在内存中。

你可以将页表放在内存中的任何位置上，只要能告诉CPU在哪里即可。

谁来负责构造页表呢？答案是操作系统，操作系统负责创建页表，页表本质上就是一个数组，处理器规定页表的格式，操作系统按照这种格式构建好页表，创建好后即可告诉CPU。

该怎样告诉CPU呢？

答案是：通过写特定的寄存器。

CPU中有特定的寄存器，以x86处理器为例，其中的控制寄存器cr3就用来保存页表的地址，假设指针pagetable指向页表，那么可以这样设置：

mov   $(pagetable), %eaxmov   %eax, %cr3

pagetable必须是物理地址，页表本身就用来将虚拟地址转为物理地址，因此向cr3中写入虚拟地址是没有道理的。

接下来的问题是什么时候将页表写入cr3寄存器呢？

答案是：很多时候，操作系统初始化阶段、进程切换时等。

现在你应该知道了吧，其实内存管理(段式管理、页式管理)是处理器提供的一种机制，操作系统只是这种机制的使用者，我们常说的虚拟内存是处理器本身的一种能力，如果处理器本身不提供这种能力，那么操作系统自己是很难高效实现虚拟内存的。

CPU才是管理内存真正的大boss。

实际上如果你去看类似x86这样的处理器编程手册时就会发现，我们在操作系统课中熟悉的很多概念其实是处理器这种硬件提供的，操作系统仅仅是利用这些硬件的一层软件。

因此，从这个角度看，操作系统仅仅是CPU的一个“驱动程序”而已。

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