这篇文章主要介绍计算机的体系结构，内存的分层体系，操作系统的内存管理，地址空间和地址生成等内容。
计算机体系结构
CPU：主要完成了对整个程序或软件的执行的控制。
内存：主要是放置了程序的代码和它所处理的数据。
外设：各种外部设备配合程序更好的完成工作。
内存分层体系
计算机内存包含多个层次，包括 CPU 寄存器、cache 和主存（物理内存）、硬盘（虚拟内存）。硬盘用于保存持久化数据。
- CPU 寄存器和 cache：
- 访问速度快，但容量小；
- 寄存器是 CPU 内部的存储单元，用于存储临时数据和指令；
- cache 是位于 CPU 和主存之间的高速缓存，用于加速对主存的访问。
- 主存（物理内存）：
- 存放操作系统和程序代码等数据；
- 容量较大，但访问速度相对较慢；
- 主存中的数据掉电会丢失。
- 硬盘（虚拟内存）：
- 保存持久化数据，即使掉电也不会丢失；
- 访问速度较慢，但容量可以很大。
操作系统会根据需要将数据从主存中放到硬盘中，以便管理数据的容量和提高运行效率。
操作系统的内存管理
目标
操作系统的内存管理到底要做什么事情呢？它有如下几个重要的目标。
- 抽象：逻辑地址空间
- 操作系统通过提供逻辑地址空间，将底层细节抽象化，使应用程序不需要关心物理内存和外设的管理。
- 保护：独立地址空间
- 为了避免应用程序相互访问彼此的地址空间，操作系统提供了独立的地址空间，将它们隔离，以保护应用程序免受破坏。
- 共享：访问相同内存
- 多个应用程序之间也可能进行交互，操作系统允许多个应用程序共享相同的内存空间，以实现高效和可靠的数据传递。
- 虚拟：更多的地址空间
- 物理内存空间有限，操作系统将必要的数据放在主存中，而将暂时不需要访问的数据临时存放在磁盘上，从而扩展了可用的地址空间。
在这张图中，操作系统将进程 P1、P2、P3 和 P4 的必要数据放在主存中（进程 P1 优先级最高，所有数据都在主存中），暂时不需要访问的数据（进程 P4/P2/P3 的一部分数据）临时存放在磁盘上。
从上图中，也可以看出进程（我们的程序）属于逻辑地址空间，主存和磁盘的内存空间属于物理内存空间。
内存管理的不同方法
- 程序重定位（relocation）
- 分段（segmentation）
- 分页（page）
- 虚拟内存（virtual memory）
- 按需分页虚拟内存：目前多数操作系统（如 Linux）采用
内存管理的实现高度依赖于硬件：
- 必须知道内存架构（与计算机存储架构紧耦合）
- MMU（内存管理单元）：硬件组件负责处理 CPU 的内存访问请求
地址空间与地址生成
地址空间定义
物理地址空间就是内存条和硬盘的空间，它的管理和控制由硬件来完成的。
逻辑地址空间就是一个运行的程序所拥有的的内存空间，是一种一维的线性地址空间（这种设计可以使得应用程序很容易的进行数据访问操作）。
逻辑地址空间的设计使得数据访问更加方便的「其中一个原因」就是：
逻辑地址空间是一维的线性地址空间，即内存地址在逻辑上是连续的。这种设计使得程序可以使用简单的地址计算来访问数据，而不需要考虑数据在内存中的实际物理位置。这样，程序员可以通过 使用相对地址来访问数据，而不需要关注数据的具体位置。
地址空间对应关系
一个运行的程序所访问的逻辑地址空间，最终都会对应着物理地址空间中的某一位置，可能放在主存中、也可能放在硬盘中。物理地址空间和逻辑地址空间通过映射关系对应起来（映射关系由操作系统进行有效地管理）。
逻辑地址生成
下图展示了逻辑地址的生成过程。
- C 程序文件（.c 文件）中的函数和变量名即逻辑地址。编译器会将 C 程序转换为汇编语言程序（.s 文件），并在汇编代码中使用符号来代表函数和变量的名字。
- 汇编语言程序（.s 文件）中的符号仍然是逻辑地址。编译器将汇编语言程序转换为机器语言程序（.o 文件），并将变量和函数的符号名转换为逻辑地址。
- 链接器（linker）将多个机器语言程序（.o 文件）链接在一起，形成一个单一的可执行文件（.exe 文件）。链接器会为每个变量和函数分配唯一的逻辑地址，并解决不同文件之间的符号引用关系。
- 加载器（loader）将可执行文件（.exe 文件）加载到内存中运行。加载器会将可执行文件的代码和数据加载到内存的适当位置，并进行地址的重定位。由于加载过程中会存在一定的偏移量，程序需要根据偏移量来进行正确的数据访问和指令操作。
逻辑地址生成的过程可以在编译器、链接器和加载器等工具的协同作用下完成，操作系统通常不需要干预该过程。这样的设计使得程序员可以方便地使用符号和逻辑地址进行开发，而无需关心实际的物理地址和内存布局。
物理地址生成
下图展示了物理地址的生成过程。
物理地址的生成过程是由操作系统的内存管理单元（MMU）来完成的。MMU 负责将逻辑地址转换为物理地址，使得程序能够正确地访问内存。
- 分页：操作系统将整个物理内存划分为固定大小的页面（page），通常是 4KB 或者更大的大小。同时，逻辑地址空间也被划分为相同大小的页面。
- 页表：每个进程都有一个页表，用于记录逻辑地址与物理地址的映射关系。页表的每个表项（entry）记录了逻辑页面号与物理页面号的对应关系。
- 地址转换：当程序访问某个逻辑地址时，MMU 会根据页表中的映射关系将逻辑地址转换为物理地址。具体的转换过程是 通过逻辑地址中的页号（page number）和页内偏移（page offset）进行计算得到：paddr = (page_num << PAGE_SHIFT(12)) + (vaddr % PAGE_SIZE(1U << 12))。
- 物理地址访问：得到物理地址后，程序就可以使用该地址直接访问内存中的数据或指令。
需要注意的是，物理地址生成的过程是 在程序运行时 由硬件执行的，而不是编译、链接或加载阶段进行的。操作系统会在程序加载到内存时设置好页表，并将页表的基地址告诉 MMU，以便进行地址转换。这样，程序在运行过程中，无需关心物理地址的生成和管理，而是通过逻辑地址进行访问。
为了加快地址转换的速度，操作系统会将逻辑地址到物理地址的映射关系存储在内存中，并由 CPU 进行缓存。
具体来说，当 CPU 首次访问某个逻辑地址时，MMU 会根据页表将逻辑地址转换为物理地址，并将该映射关系存储在一个特殊的高速缓存中，称为转换后备缓冲器（Translation Lookaside Buffer，简称 TLB）。TLB 是一种硬件缓存，用于临时存储逻辑地址到物理地址的映射关系。
当程序再次访问相同的逻辑地址时，CPU 会首先检查 TLB 中是否存在该映射关系：
- 如果存在，则可以直接从 TLB 中获取物理地址，从而避免了访问内存的开销；
- 如果 TLB 中没有找到对应的映射关系，则需要通过页表来进行地址转换（上述序号 2 和 3），并将新的映射关系存储到 TLB 中，以便下次访问时可以直接使用。
地址安全检查
为了避免应用程序相互访问彼此的地址空间，操作系统提供了独立的地址空间，将它们隔离，以保护应用程序免受破坏。
地址安全检查使应用程序在内存中正常执行，同时保证在内存中不同的应用程序之间不会相互破坏。
参考资料：