一、概念引入
- 線性內存----應用程序員看到的內存空間定義爲線性空間，應用程序員提供的線性空間卻是固定的，不會隨物理內存的變化而變化，這樣才能保證應用程序的可移植性。
- 物理內存----主板上所用的內存大小。
- CPU執行級別----CPU將特權級別分爲4個級別：RING0（特權級）,RING1,RING2,RING3。其中RING0和RING3在用，與RING0交互的只是內核，與RING3可以是用戶程序。
- Task structure----內核數據結構，用於進程記錄管理。
- MMU----內存管理單元，它是中央處理器（CPU）中用來管理虛擬存儲器、物理存儲器的控制線路，同時也負責虛擬地址映射爲物理地址，以及提供硬件機制的內存訪問授權，多用戶多進程操作系統。
- TLB(Translation Lookaside Buffer)轉換檢測緩衝區----是一個內存管理單元,用於改進虛擬地址到物理地址轉換速度的緩存。
- 進程狀態：R (TASK_RUNNING)，可執行狀態、S (TASK_INTERRUPTIBLE)，可中斷的睡眠狀態、D (TASK_UNINTERRUPTIBLE)，不可中斷的睡眠狀態、T (TASK_STOPPED or TASK_TRACED)，暫停狀態或跟蹤狀態、Z (TASK_DEAD - EXIT_ZOMBIE)，退出狀態，進程成爲殭屍進程。
- 內核空間和用戶空間是現代操作系統的兩種工作模式，內核模塊運行在內核空間，而用戶態應用程序運行在用戶空間。它們代表不同的級別，而對系統資源具有不同的訪問權限。內核模塊運行在最高級別（內核態），這個級下所有的操作都受系統信任，而應用程序運行在較低級別（用戶態）。在這個級別，處理器控制着對硬件的直接訪問以及對內存的非授權訪問。內核態和用戶態有自己的內存映射，即自己的地址空間。
- 進程上下文----就是一個進程在執行的時候，CPU的所有寄存器中的值、進程的狀態以及堆棧上的內容，當內核需要切換到另一個進程時，它需要保存當前進程的所有狀態，即保存當前進程的進程上下文，以便再次執行該進程時，能夠恢復切換時的狀態，繼續執行。
從上圖可以看出，當一個用戶發起一個命令或者啓動一個程序時，會建立一個進程，剛開始以用戶方式啓動，這時處於用戶態，將其用戶空間要執行的內容載入內存，並交由CPU執行相關指命，執行完成，內存釋放空間，結束進程；或者，處於用戶態時，需要進行系統調用，這時由用戶態轉化爲內核態，將其內核空間要執行的內容載入內存，並交由CPU執行相關指命，執行完成，內存釋放空間，結束進程。
上圖反映瞭如下信息：
1、 進程的4G 線性空間被劃分成三個部分：進程空間（0-3G）、內核直接映射空間（3G – high_memory）、內核動態映射空間（VMALLOC_START - VMALLOC_END）
2、 三個空間使用同一張頁目錄表，通過 CR3 可找到此頁目錄表。但不同的空間在頁目錄表中頁對應不同的項，因此互相不衝突
3、 內核初始化以後，根據實際物理內存的大小，計算出 high_memory、VMALLOC_START、VMALLOC_END 的值。併爲“內核直接映射”空間建立好映射關係，所有的物理內存都可以通過此空間進行訪問。
4、 “進程空間”和“內核動態映射空間”的映射關係是動態建立的（通過缺頁異常）
假設在有三個線性地址 addr1, addr2, addr3 ，分別屬於三個線性空間，但是最終都映射到物理頁面1：
1、 三個地址對應不同的頁表和頁表項
2、但是頁表項的高 20bit 肯定是1，表示物理頁面的索引號是1
3、同時，根據高 20 bit，可以從 mem_map[] 中找到對應的 struct page 結構，struct page 用於管理實際的物理頁面（紅線）
4、從線性地址，根據頁目錄表，頁表，可以找到物理地址
5、Struct page 和物理地址之間很容易互相轉換
6、從物理地址，可以很容易的反推出在內核直接映射空間的線性地址（藍線）。要想得到在進程空間或者內核動態映射空間的對應的線性地址，則需要遍歷相應的“虛存區間”鏈表。
關於頁目錄表：
1、每個進程有一個屬於自己的頁目錄表，可通過 CR3 寄存器找到
2、而內核也有一個獨立於其它進程的頁目錄表，保存在 swapper_pg_dir[] 數組中
3、當進程切換的時候，只需要將新進程的頁目錄把地址加載到 CR3 寄存器中即可
4、創建一個新進程的時候，需要爲它分配一個 page，作爲頁目錄表，並將 swapper_pg_dir[] 的高 256 項拷貝過來，低 768 項則清
參考原文：https://blog.csdn.net/rstevens/article/details/1760907
https://www.cnblogs.com/zqz365001/p/4544741.html
http://www.linfo.org/context_switch.html
https://blog.csdn.net/qq_34228570/article/details/72995997