CPU查找数据的两种方式：物理寻址和虚拟寻址

物理寻址的系统：CPU直接访问主存

主存和辅存？
在计算机里面，内存也被称为主存，硬盘称之为辅存。
物理地址？
在存储器里以字节为单位存储信息，为正确地存放或取得信息，每一个字节单元给以一个唯一的存储器地址，称为物理地址（Physical Address），又叫实际地址或绝对地址。
内存的物理地址？
主存可以理解为是一个很长的数组，一个字节就是一个单元，它可以划分成很多连续的单元。每一个单元都有一个唯一的地址，这个地址可以理解为内存的物理地址。

在早期的计算里面，如果CPU需要使用内存，必须通过物理地址去直接访问主存，看起来和合乎情理，但是有很多问题：

1.进程直接访问主存的物理地址
现在的操作系统有多个用户，也会有很多个任务同时执行，这些所有的进程会共享主存，也就是说大家会瓜分有限的主存的内容，如果你的设计是每个进程有自己专属的物理地址，每个进程会独自占有主存的一个物理地址块，这样很快主存就会被瓜分完。
所以，肯定是希望同一个主存的物理地址，在不同的时刻，可以被多个进程共享。

2.进程可以直接操作主存
一个进程会修改其它进程的内存的数据，那么就会破坏物理地址的空间，程序运行会出现异常，这个问题就很严重了。
所以，肯定是希望多个进程在不同的时间可以共享同一块主存的内容，但是多个进程在操作的时候是互相隔离的。

那么怎么实现呢？
需要有一个东西去协调和分配和指挥物理地址，在CPU和主存之间加一个中间层，这个时候CPU再去访问主存的时候，就不再使用物理地址，而是通过一个虚拟的地址，由中间层将这个虚拟的地址转换成物理地址，最终获得物理数据，这个中间层叫做MMU(内存管理单元：Memory Management Unit)。

虚拟寻址的系统：CPU访问虚拟地址，再映射到物理地址进行访问

虚拟存储器（虚拟内存）
在CPU和主存之间加一个中间层，这个时候CPU再去访问主存的时候，就不再使用物理地址，而是通过一个虚拟的地址，由中间层将这个虚拟的地址转换成物理地址，最终获得物理数据，这个中间层叫做MMU(内存管理单元：Memory Management Unit)。

有了MMU之后，CPU需要使用内存的时候，会通过一个虚拟的地址映射到一个物理地址上拿到主存，每个进程在创建的时候，都会去分配一个虚拟地址，通过映射的方式去操作，这个时候进程就不能直接操作主存的物理地址了，因为它都不知道是操作哪一块主存的数据。

因此大多数系统都使用了虚拟内存，如Windows虚拟内存，Linux虚拟内存交换空间
在Windows中，虚拟内存是磁盘上的一部分，也就是为什么你的C盘会少很多个g的空间，那个就是虚拟内存用掉了。

不同位数的操作系统，虚拟内存大小关系

在不同位数的操作系统中，虚拟内存的大小是不一样的。

Windows的32位系统中，虚拟地址(虚拟内存) 的大小就是2³²=4G，在64位系统中就是2⁶⁴=1024*1021TB，很夸张，实际根本用不到这么大。

Linux系统中，通过命令cat /proc/cpuinfo查看linux系统CPU详细信息，address sizes就是CPU的物理内存和虚拟内存位数，2⁴⁸=256TB

# address sizes输出：46位物理地址，48位虚拟地址
address sizes   : 46 bits physical, 48 bits virtual

cat /proc/meminfo

processor       : 0
vendor_id       : GenuineIntel
cpu family      : 6
model           : 94
model name      : Intel(R) Xeon(R) Gold 6133 CPU @ 2.50GHz
stepping        : 3
microcode       : 0x1
cpu MHz         : 2494.140
cache size      : 28160 KB
physical id     : 0
siblings        : 2
core id         : 0
cpu cores       : 2
apicid          : 0
initial apicid  : 0
fpu             : yes
fpu_exception   : yes
cpuid level     : 13
wp              : yes
flags           : fpu vme de pse tsc msr pae mce cx8 apic sep mtrr pge mca cmov pat pse36 clflush mmx fxsr sse sse2 ss ht syscall nx pdpe1gb rdtscp lm constant_tsc rep_good nopl eagerfpu pni pclmulqdq ssse3 fma cx16 pcid sse4_1 sse4_2 x2apic movbe popcnt tsc_deadline_timer aes xsave avx f16c rdrand hypervisor lahf_lm abm 3dnowprefetch invpcid_single fsgsbase bmi1 hle avx2 smep bmi2 erms invpcid rtm mpx rdseed adx smap clflushopt xsaveopt xsavec xgetbv1 arat
bogomips        : 4988.28
clflush size    : 64
cache_alignment : 64
address sizes   : 46 bits physical, 48 bits virtual
power management:

processor       : 1
vendor_id       : GenuineIntel
cpu family      : 6
model           : 94
model name      : Intel(R) Xeon(R) Gold 6133 CPU @ 2.50GHz
stepping        : 3
microcode       : 0x1
cpu MHz         : 2494.140
cache size      : 28160 KB
physical id     : 0
siblings        : 2
core id         : 1
cpu cores       : 2
apicid          : 1
initial apicid  : 1
fpu             : yes
fpu_exception   : yes
cpuid level     : 13
wp              : yes
flags           : fpu vme de pse tsc msr pae mce cx8 apic sep mtrr pge mca cmov pat pse36 clflush mmx fxsr sse sse2 ss ht syscall nx pdpe1gb rdtscp lm constant_tsc rep_good nopl eagerfpu pni pclmulqdq ssse3 fma cx16 pcid sse4_1 sse4_2 x2apic movbe popcnt tsc_deadline_timer aes xsave avx f16c rdrand hypervisor lahf_lm abm 3dnowprefetch invpcid_single fsgsbase bmi1 hle avx2 smep bmi2 erms invpcid rtm mpx rdseed adx smap clflushopt xsaveopt xsavec xgetbv1 arat
bogomips        : 4988.28
clflush size    : 64
cache_alignment : 64
address sizes   : 46 bits physical, 48 bits virtual
power management:

总结：为什么使用虚拟内存？

• 虚拟内存可以把同一块物理内存映射到不同的虚拟地址空间，在不同的进程之间实现内存共享
• 对物理内存进行隔离，这样不同进程的操作互不影响
• 虚拟内存空间的大小远远大于实际的物理内存
• 虚拟内存可以提供更大的地址空间，并且地址空间是连续的，这样编写程序去访问会更加简单

Linux虚拟内存：用户空间和内核空间

Linux中虚拟内存又分为两块，用户空间和内核空间
用户空间里面放的是用户的应用程序、代码、数据
内核空间里面放的是操作系统内核的代码、数据
它们都是虚拟内存空间的一部分，都是对物理内存的映射，如果你的进程是在用户空间的，那么称之为用户态，如果是在内核空间的话，称之为内核态。

用户态和内核态的区别
内核态可以访问受保护的内存的空间，也可以访问底层的硬件设备，可以执行任意的命令，调用系统的一切资源
用户态只能进行简单的运算，不能操作系统资源，如果要操作的话，必须通过系统调用接口(System Call Interface)，才能向内核发出操作指令

Linux这样划分是为了避免用户进程会直接操作内核，保证内核的安全所以这样设计

什么是进程切换？
操作系统4核，可以同时运行几百个任务，理论上如果是并行执行的话，那么只可能同时执行4个任务，所以任务的执行是并发执行的。系统有CPU的时间的分片的算法，会在很短的时间内将CPU轮流分配给它们，所以我们看起来就像是这些应用程序同时运行，是交替执行的过程，那么也就是说内核必须有能力将一个进程暂停、挂起、阻塞、恢复，然后实现并发执行的效果，这种行为或动作就是进程的切换。

什么是上下文？
每个任务在运行之前，CPU必须要知道任务从哪里加载，从哪里开始运行，也就是CPU必须先给进程设置好它在寄存器和程序计数器的数据，这两个数据就是CPU的上下文，如果没有上下文，就恢复不了，因为找不到上一步执行的状态，这个状态就叫做上下文，是保存在系统内核里的

挂起和恢复的过程这种进程的切换，就叫做上下文切换
因为CPU从内存中找到了你的上下文，然后继续执行任务，所以看起来就是连续执行的一样，上下文的切换需要完成一系列的工作，所以说 上下文的切换是一项比较消耗资源和时间的操作，因此要尽量避免上下文的切换

什么是进程阻塞

正在运行的进程由于提出系统服务请求（如I/O操作），但因为某种原因未得到操作系统的立即响应，该进程只能调用阻塞原语把自己变成 阻塞状态，阻塞状态不会占用CPU的资源

什么是文件描述符（File Descriptor）

Linux里面一切皆文件，包括你的硬件设备。文件描述符FD是内核为了高效管理已被打开的文件所创建的索引（一个非负的整数），用于指向被打开的文件，所有执行I/O操作的系统调用（System Call）都通过文件描述符