剛開始學習c語言的時候，會接觸到一個概念，就是虛擬內存，當時真的是一頭霧水，根本不知道什麼是虛擬內存，我為此感到好無奈，隨著對c語言的深入理解，慢慢的，我開始明白了虛擬內存的概念，今天我就講講我對虛擬內存的理解，鄙人如有哪裡不對的，請指正。
虛擬內存的由來
我們知道cpu的速度非常快，外設相對於cpu又很慢，這時就需要一箇中介來緩解這種差異，這個中介是誰呢？那就是我們常說的內存。
現代的操作系統都是多任務的，那麼多個任務同時工作，就會有內存訪問的衝突，那麼如何解決這種衝突呢？虛擬內存就是解決這種衝突的。
假設有兩個進程1和2，操作系統給進程1和2進程一種假象，操作系統告訴1和2，我的整個內存都是你的，你們隨便用，管飽，而事實上，操作系統讓他們隨便用的只是虛擬內存，當1和2開始使用內存的時候，系統才根據他們的虛擬地址為他們分配物理內存，也就是說，是動態分配的。
進程1和2認為他們使用的虛擬地址就是物理地址，但是事實上，linux內核為他們的虛擬地址做了一個轉換，轉換成了物理地址。
那麼虛擬內存是如何與物理內存進行轉換的呢？
linux內核的做法是，利用頁目錄表進行的映射。
Linux 虛擬地址與物理地址之間的映射
圖1
上圖中的VA代表虛擬地址，PA代表物理地址，通過上圖我們知道，我們的程序將虛擬地址傳遞給CPU，CPU會根據MMU將虛擬地址進行映射，也就是虛擬地址通過MMU部件後，輸出的結果就是PA，也就是物理地址。
MMU 是根據什麼機制映射的物理地址呢？
MMU是根據頁目錄表和頁表進行虛擬地址與物理地址的映射的，我們只要把虛擬地址告訴MMU，MMU會主動去查頁目錄表以及頁表，最終找到所需要的物理地址。
MMU它也不是神仙，知道我們的頁目錄表存在內存的什麼位置，所以MMU並不會直接去內存查找頁目錄，而是通過寄存器CR3來知道頁目錄的基地址，換句話說，頁目錄的基地址存在了CR3的寄存器中，MMU讀取CR3的寄存器就知道了頁目錄的基地址，是不是覺得明白了許多。
具體的映射關係如下所示：
圖2
上圖就是虛擬地址到物理地址的映射過程。
線性地址你可以認為是虛擬地址就行，因為現在的linux內存模型基本上是平坦模型，也就是段的基地址從0開始，所以虛擬地址和線性地址是相等的關係。
下面我就根據上圖，來詳細說明映射的過程：
1. 首先將線性地址分成三份，這三份分別佔用了 22-31位，12-21位，0-11 位。
22-31 位表示的是頁目錄的索引，頁目錄你可以認為就是一個數組，這個索引代表數組的索引，MMU會根據這個索引，來選取頁目錄數組的哪個數組元素。
12-21 位表示的是頁表的索引，頁表也可以認為是一個數組，MMU會根據這個索引，來選取頁表數組中的哪個數組元素。
0-11 位表示的頁面的偏移，當MMU通過頁目錄表和頁表知道了頁面的基地址後，會用頁面的基地址 加上 頁面的偏移來算出真正的物理地址。
2. MMU 去讀取CR3的寄存器的值，獲取頁目錄的基地址。
3. 獲取完頁目錄的基地址後，會根據線性地址中的22-31位的值，來獲取頁目錄的索引，即為pgd_offset，然後通過基地址加上 4*pgd_offset 後，獲取到了頁目錄項。為什麼乘以4呢？是因為 頁目錄數組中的元素佔用4個字節，所以 用 4*pgd_offset 才能獲取到頁目錄項。
4. 獲取完頁目錄項後，我們就知道了頁表的基地址，因為頁目錄項中存放的是頁表的基地址，虛擬地址中的12-21 位表示的是頁表的索引，我們設為pg_offset ，然後，通過頁表的基地址 加上 4*pg_offset 後，就得出了頁面的物理地址。這裡乘以4，也是因為頁表項佔用4個字節。
5. 我們得出了頁面的物理地址，已經成功了一大半了，最後根據虛擬地址中的0-11 位得到頁面的偏移，即為p_offset，然後通過頁面的物理地址加上 p_offset後，形成了最終的物理地址。
以上就是虛擬地址到物理地址之間的映射流程，是不是感覺對虛擬地址有了進一步的理解了。
可能有的人會問，是誰往CR3寄存器了存的頁目錄的基地址？每個進程它的頁目錄表一樣嗎？預知後事，請聽下回分解，請大家對我進行關注，讓我覺得寫的東西對有些人是有幫助的，謝謝。
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圖3
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