?大家好，我是小風哥

對于C/C++程序員來說，內存分配再正常不過，C語言中的malloc：

int* a = (int*)malloc(sizeof(int));

C++中的new：

int* a = new int(10);

接下來的問題是變量a占用的內存是誰給我們分配的呢？

答案是運行在用戶態的內存分配器，如果你愿意，也可以繞過內存分配器自己來管理內存。

接下來的問題是a占用的內存在哪里呢？

答案是進程地址空間中的堆區，堆區在這里：

內存中真的有像圖中這樣的布局嗎？

答案是：沒有。這就是所謂的虛擬內存。

既然是虛擬內存那么這里的堆區又是從哪里來的呢？

答案是操作系統。當我們在C/C++中分配內存時，內存分配器從堆區中找到可用內存，但如果沒有找到則向操作系統申請。那么操作系統又是從哪里找到的內存呢？

答案是：操作系統從物理內存中找到一塊可用內存分配出去。

問題來了，既然操作系統管理的是物理內存，而操作系統分配給進程的又是虛擬內存，精神分裂啊有沒有，這是怎么一回事呢？

原來這并不沖突，操作系統會為每個進程分配一張表，記錄了從虛擬內存到物理內存的映射，這張表就叫頁表。

因此，盡管操作系統管理的是物理內存，但進程或者說程序員是看不到物理內存的，我們只能看到虛擬內存，程序運行時在發送內存讀寫指令時MMU會將虛擬內存轉換為物理內存。

接下來的問題是頁表在哪里？

答案是：在內存中。

你可以將頁表放在內存中的任何位置上，只要能告訴CPU在哪里即可。

誰來負責構造頁表呢？答案是操作系統，操作系統負責創建頁表，頁表本質上就是一個數組，處理器規定頁表的格式，操作系統按照這種格式構建好頁表，創建好后即可告訴CPU。

該怎樣告訴CPU呢？

答案是：通過寫特定的寄存器。

CPU中有特定的寄存器，以x86處理器為例，其中的控制寄存器cr3就用來保存頁表的地址，假設指針pagetable指向頁表，那么可以這樣設置：

mov   $(pagetable), %eax
mov   %eax, %cr3

pagetable必須是物理地址，頁表本身就用來將虛擬地址轉為物理地址，因此向cr3中寫入虛擬地址是沒有道理的。

接下來的問題是什么時候將頁表寫入cr3寄存器呢？

答案是：很多時候，操作系統初始化階段、進程切換時等。

現在你應該知道了吧，其實內存管理(段式管理、頁式管理)是處理器提供的一種機制，操作系統只是這種機制的使用者，我們常說的虛擬內存是處理器本身的一種能力，如果處理器本身不提供這種能力，那么操作系統自己是很難高效實現虛擬內存的。

CPU才是管理內存真正的大boss。

實際上如果你去看類似x86這樣的處理器編程手冊時就會發現，我們在操作系統課中熟悉的很多概念其實是處理器這種硬件提供的，操作系統僅僅是利用這些硬件的一層軟件。

因此，從這個角度看，操作系統僅僅是CPU的一個“驅動程序”而已。