進程的虛擬內存
進程屬性信息的task_struct結構體，其中包含進程使用的內存信息。在32位的操作系統中，當進程創建的時候（程序運行時），系統會爲每一個進程分配大小爲4GB的虛擬內存空間，用於存儲進程屬性信息。
C語言中的變量，通常使用&運算符來獲得其地址，那麼，這個地址就是虛擬地址，在簡單的單片機中，編寫的代碼編譯時都需要指定物理RAM空間分佈，不會有虛擬地址的概念，地址就是指在RAM中的實際物理地址
爲什麼需要虛擬空間機制
首先程序代碼和數據必須駐留在內存中才能得以運行，然而系統內存大小是有限的，有時可能不能容納一個完整的程序的所有代碼和數據，更何況在多任務系統中，可能同時要打開子處理程序、瀏覽器等多種任務，想讓內存駐留所有的這些程序顯然不太可能。因此，首先能想到的是將程序分割成小份，只讓當前系統運行它的所有需要的那部分留在內存，其他部分都留在硬盤。當系統處理完當前任務片段後，再從外存中調入下一個待運行的任務片段。老式系統就是這樣處理大任務的，而且這個工作是由開發者自行完成。然而隨着程序越來越豐富，由於程序的行爲幾乎準確預測，因此很難再靠預見性來靜態分配固定大小的內存，然後再機械地輪換程序片進入內存執行。系統必須採用一種能按需分配的新技術
這種按需分配的技術就是虛擬內存機制。之所以稱之爲虛擬內存，說明內存只是邏輯上存在的，並非真實的物理內存，而且進程的分配的虛擬內存空間可能比實際使用物理內存要大很多。程序最終的執行，也是由CPU操作物理內存完成的。因此，虛擬內存需要與實際的物理內存建立起一定的聯繫，從而對於進程來說，保證訪問的虛擬內存空間是有意義的，而不是訪問了一個假設的地址值
物理內存與虛擬內存建立聯繫通過地址映射得來。所謂映射，就是一個地址轉換的過程，通俗地講，就是讓虛擬地址與物理地址建立一一對應的關係。一旦這種關係建立，進程只需操作虛擬地址即可，然後通過查找這一虛擬地址與實際地址建立的關係，即可實現對實際地址的使用。當進程退出不需要內存資源釋放時，將這一對應關係斷開即可，此時虛擬地址就毫無意義，因爲它沒有和任何物理地址有關係
系統雖然爲每一個進程分配了4GB的虛擬內存空間，但實際情況是進程按照當前運行對內存的需求，通過與實際的物理內存建立映射關係，獲取分配的內存資源。在這一過程中，所需的地址在其生命週期中可以發生變化。同時，虛擬內存使得進程認爲它的擁有連續可用的內存（一段連續完整的內存）；但實際上，它通常是映射的多個不連續的物理內存分段來的
虛擬內存管理：如何實現虛擬地址與實際地址的映射
物理地址與虛擬地址建立關係，進程通過操作虛擬地址，而得到與之建立關係的實際物理地址的使用。這種地址關係建立，是通過頁映射表現的
虛擬內存的規劃之一是將每個程序使用的內存切割成小型的、固定大小的“頁”單位（一般頁面的大小爲4096字節=4kb）。相應地，將RAM劃分成一系列與虛擬頁尺寸相同的頁幀。內核需要爲每一個進程維護一張頁映射表。該頁映射表中的每個條目指出一個虛擬“頁”在RAM中的所在位置，在進程虛擬地址空間中，並非所有的地址範圍都需要頁表條目。由於可能存在大段的虛擬地址空間並未投入使用，故而也沒有必要爲其維護相應的頁表條目
虛擬內存管理使進程的虛擬地址空間與RAM物理地址空間隔離開來，有優點如下
- 進程與進程、進程與內核相互隔離，一個進程不能讀取或修改另一個進程或內核的內存，這是因爲每個進程的頁表條目指向RAM中的截然不同的物理頁面集合
- 適當情況下，兩個或者多個進程能夠共享內存。這是因爲內核可以使不同進程的頁表條目指向相同的RAM頁
- 便於實現內存保護機制：也就是說，可以對頁表條目進行標記，以表示相關頁面的內容是可讀、可寫、可執行抑或是這些保護措施的組合。多個進程共享RAM頁時，允許每個進程對內存採取不同的保護措施。例如，一個進程可能以只讀方式訪問某RAM頁，而另一個進程則以讀寫方式訪問該頁
- 程序員和編譯器、鏈接器之類的工具無須關注程序在RAM中的物理佈局
- 因爲需要駐留在內存中的僅是程序的一部分，所以程序的加載和運行都很快。而且，一個進程所佔用的虛擬內存大小能夠超出RAM容量
進程的內存佈局
Linux操作系統採用的虛擬內存管理技術，該虛擬內存空間大小爲4GB的線性虛擬空間，進程只管自己的訪問虛擬地址，無須知道物理地址的映射情況。利用這種虛擬地址不但更安全（用戶不能直接訪問物理內存），而且用戶程序可以使用比實際物理內存更大的地址空間
4GB的進程地址空間會被分成兩個部分--用戶空間與內核空間。用戶地址空間是03GB（0XC00000000），內核地址空間佔據34GB。通常情況下，用戶只能訪問用戶的虛擬地址，不能訪問內核空間虛擬地址。只有用戶進程使用系統調用（代表用戶進程在內核態執行）時纔可以訪問內核空間。當進程切換時，用戶空間就會跟發生變化；而內核空間是由內核負責映射的，是固定的，它並不會隨着進程改變。內核空間地址有自己對應的頁表，用戶進程各自由不同的表，每個進程的用戶空間都是完全獨立、互不相干
用戶空間包括以下幾個功能區域
- 程序代碼段：源代碼，具有隻讀屬性，包含程序代碼（.init和.text）和只讀數據（.rodata）
- 數據段：存放的是全局變量和靜態變量。其中初始化數據段（.data）【靜態數據區】存放顯示初始化的全局（Global）變量和靜態（Static）變量；未初始化數據段，此段通常也被稱爲BSS段（.bss），存放未進行顯示初始化的全局變量和靜態變量
- 棧：系統管理，由系統自動分配釋放，存放函數的參數值、局部變量的值、返回地址等
- 堆：用戶管理，存放動態分配的數據，一般由程序動態分配和釋放，若程序不釋放，程序結束時可能由操作系統回收。例如：使用malloc()函數申請空間
- 共享庫的內存映射區域：這是Linux動態鏈接器和其他共享庫代碼的映射區域