操作系统知识总结

1. 进程，线程和协程

（1）进程

（2）线程

（3）协程

2. 进程间的切换

每个进程都以为自己拥有一整块独立的内存（例如从地址 0x00000000 开始），但实际上，这是一种由操作系统和硬件通过虚拟内存机制（Paging） 提供的“假象”。

• 每个进程都有属于自己的 页表（Page Table）；
• 这些页表记录了该进程的 虚拟地址 ↔ 物理地址 映射关系；
• 所以在切换进程时，需要将当前正在使用的页表切换成新进程的页表。

（1）进程切换的步骤

第一步：保存当前进程的上下文（A进程）

• 保存当前的CPU 寄存器（通用寄存器、栈指针、程序计数器PC等）。
• 保存当前的页表基地址（例如 CR3 寄存器的值）。
• 保存其他内核状态（如文件描述符、信号状态等）。
• 将这些信息存入进程控制块 PCB（Process Control Block）。

第二步：加载新进程的上下文（B进程）

• 可能会触发TLB Flush（清空地址转换缓存），防止旧页表污染。
• 加载B进程的寄存器、PC等状态。
• 设置新的页表基地址（例如设置 CR3 为 B 进程的页表地址）； 这一步是切换虚拟地址空间的关键。
• 加载B进程的内核栈指针、内核上下文。

（2）如何进行页表切换？

操作系统通过写入 CPU 中的一个特殊寄存器（例如 x86 上的 CR3 寄存器）来更换页表。

CR3寄存器保存当前页目录表（或多级页表的根）的物理地址。

举例：

• 进程 A 的页表根在物理地址 0x123000；
• 进程 B 的页表根在物理地址 0x456000；

切换进程时，使用指令：

mov cr3, 0x456000  ; 让 CPU 使用进程 B 的页表

此时，再从虚拟地址访问内存时，所有的地址映射都变了，进入了进程 B 的“视角”。

（3）TLB Flush是什么？

TLB（Translation Lookaside Buffer）是一个缓存，保存最近访问过的虚拟地址 ↔ 物理地址 映射。

由于每个进程的虚拟地址空间不同，所以页表不同，在进程切换时必须清空 TLB，否则会导致旧进程的地址映射被误用。

这叫做 TLB flush，它是进程切换的一部分，会稍微影响性能。

3. 内存空间

内存空间是计算机系统中可用于存放数据和指令的一段地址范围，它由地址编号构成，可以映射到实际的存储设备（如物理内存或虚拟内存）。

内存空间 = 地址范围 = 一块逻辑上可访问的连续地址集合

（1）物理内存空间

定义：物理内存空间是实际硬件内存（RAM）中可以寻址的地址范围。

特点：

• 所有程序最终的数据和指令必须落地到物理内存中；
• 操作系统负责将虚拟地址翻译成物理地址；
• 物理内存中包括：用户程序数据、内核代码和数据、缓存、页表等；
• 访问物理内存必须经过操作系统控制（用户进程不能直接访问）。

（2）虚拟内存空间

定义：

虚拟内存空间是进程视角下的地址空间，由操作系统通过地址映射机制虚拟出来的一大片连续地址区。

每个进程都以为自己独占一整块地址空间（如 4GB 或更多），但这些地址其实不直接对应物理内存，而是通过页表映射的（虚拟地址 → 物理地址）。

特点：

• 操作系统会给每个运行中的进程提供一个独立的虚拟内存空间，这个空间可能比实际物理内存还大（如 4GB 或 128TB）。
• 相同的虚拟地址，在不同进程中可能指向完全不同的物理内存。
• 使用 MMU（内存管理单元）+ 页表 来实现地址映射。
• 支持地址隔离、内存保护、按需加载、共享内存等高级特性。
• 进程只看到自己的“虚拟地址空间”，彼此隔离。
• 使用虚拟内存空间可以提高安全性、可靠性和内存利用率。

一个典型用户进程的虚拟地址空间（从低到高）：

虚拟地址空间布局：
+--------------------------+ ← 高地址（0xFFFFFFFF）
| 内核空间（不可访问）        |
+--------------------------+
| 用户栈 Stack              |
+--------------------------+
| 动态链接库 mmap 区域       |
+--------------------------+
| 堆 Heap（动态分配）       |
+--------------------------+
| BSS段（未初始化的全局变量） |
+--------------------------+
| 数据段（已初始化的全局变量）|
+--------------------------+
| 代码段 Text（程序指令）     |
+--------------------------+ ← 低地址（0x00000000）

（3）内核内存空间（Kernel Space）

内核内存空间是虚拟地址空间中，专门为操作系统内核保留的一段地址区域，只有内核可以访问，普通用户进程无法进入。

（4）用户内存空间（User Space）

用户内存空间是进程可访问的虚拟地址空间范围，也叫用户态虚拟内存空间，用于存放用户程序的数据、代码和堆栈等。

这部分空间对进程是“可读写”的，但不能直接访问内核数据或控制硬件。

页

（1）页（Page）

页是操作系统管理内存的最小单位，操作系统将虚拟地址空间被划分成的固定大小的块（如4KB）。

• 一页的大小通常是 2 的整数次幂，例如 4KB、8KB、16KB（大多数现代操作系统使用 4KB）。
• 内存被划分为 一个个固定大小的块，这些块被称为“页”。

这样做的好处是简化内存分配和管理，使得内存不必以连续方式分配，从而减少碎片问题。

（2）虚拟页（Virtual Page）

虚拟页 是 进程看到的内存地址空间中的页。

当你写程序访问变量，比如 int a = 5;，你访问的是虚拟地址，不是物理内存的真实地址。

• 操作系统为每个进程维护一个虚拟地址空间，这个空间被划分成一页一页（即虚拟页）。
• 每个进程以为自己拥有独占的完整内存空间，其实只是操作系统提供的一个“假象”。

这就引出了另一个重要机制：地址映射。

（3）物理页（Physical Page）

物理页 是实际 RAM（主内存）中的页块。

• RAM（物理内存）也被划分成固定大小的块，与虚拟页一一对应，这些就是“物理页”。
• 虚拟页不会永远驻留在内存中，它们可以被置换（swap）到磁盘上（即“页面置换”机制）。

（4）页表（Page Table）

页表的概念？

页表就是一个查找表，记录了：
“虚拟页号对应的物理页框号“，以及一些状态标志位（控制权限）。

为什么要页表？

现代操作系统为每个进程提供了一个虚拟地址空间。
但是程序运行时必须访问实际的物理内存（RAM），因此操作系统需要一种机制来将虚拟地址 → 物理地址，这个机制就是页表。

页表是操作系统为每个进程维护的一个数据结构，用于记录：

每个虚拟页号（VPN: Virtual Page Number） 对应的是哪个物理页号（PPN: Physical Page Number）。

页表的特点：

• 每个进程有自己的页表；
• 页表中每个条目记录了某个虚拟页是否映射到了某个物理页；
• 如果该虚拟页没有在内存中，会触发“缺页异常（Page Fault）”，操作系统将它从磁盘调入物理内存。

各种地址的含义与关系

（1）物理地址（Physical Address）

定义：物理地址是RAM（内存）上的真实地址，它是CPU最终访问内存时用的地址。

• 只有内存控制器才能识别物理地址。

（2）逻辑地址（Logical Address）

定义：逻辑地址是程序代码中使用的地址，通常是[段选择子 + 段内偏移]。

• 逻辑地址在x86中等价于虚拟地址（32位时代）。
• 可以将其理解为程序员在代码中写的地址，如访问变量：int a = 5;
• 逻辑地址 = 段寄存器（如 cs, ds, ss）+ 偏移量

（3）虚拟地址（Virtual Address）

定义：虚拟地址是广义概念，指进程所见的地址空间。

• 在32位系统中，它与逻辑地址可以认为是一样的。
• 在64位系统中，不再使用段机制，虚拟地址等价于线性地址。
• 每个进程都有自己独立的虚拟地址空间。
• 所有程序运行时访问的地址，实际都是虚拟地址。

（4）线性地址（Linear Address）

定义：经过分段转换后的地址，但尚未分页的地址。

• 分段阶段之后、分页阶段之前的地址。
• 所有分页机制的输入地址就是线性地址。
• 在线性地址阶段：逻辑地址 → 段表 → 线性地址。
• 在分页阶段：线性地址 → 页表 → 物理地址。

（5）有效地址（Effective Address）

定义：用于寻址的段内偏移值（即偏移部分）。

• 通常由汇编指令中的寻址方式（如 [ebx + 4*eax + 0x20]）计算得出。
• 有效地址 + 段基址 = 线性地址。

（6）总结

程序使用的是逻辑地址（或虚拟地址），它会被分段转换成线性地址，再由分页机制转换成物理地址，最终访问 RAM。