平时我们说计算机的“计算”两个字，其实说的就是两方面，第一，进程和线程对于CPU的使用；第二，对于内存的管理。——这个是对计算机的理解的两个大方面，面试中问到的场景设计题可以尝试从这两个角度出发。
可以把内存比作是每个公司里面独立封闭的会议室，因为如果不隔离，就会不安全、存在泄露，因而每个进程都应该有自己的进程空间，内存空间都是独立的，相互隔离的，对每个进程来讲看起来应该都是独占的。
独享内存空间的原理
内存地址都是被分成了一块一块编号好了的，如果执行程序的进程直接访问了这些内存地址，举个例子，打开了三个相同的程序如计算器，分别输入需要计算的数字是10、100、1000，内存中只能保存一个数，那么应该保存哪个呢？这就发生了冲突。
所以不能用实实在在的地址，也就是封闭开发——每个项目的物理地址对于进程来说都是不可见的，谁也不能直接访问这个物理地址，操作系统会给进程分配一个虚拟进程地址，所以进程看见的这个地址都是一样的，都是从0开始编号的。
在程序里面，指令写入的地址是虚拟地址。例如，位置为10M的内存区域，操作系统会提供一种 机制，将不同进程的虚拟地址和不同内存的物理地址映射起来。
当程序要访问虚拟地址的时候，由内核的数据结构进行转换，转换成不同的物理地址，这样不同 的进程运行的时候，写入的是不同的物理地址，这样就不会冲突了。
规划虚拟地址空间
操作系统的内存管理，主要分为三个方面：
第一，物理内存的管理，相当于会议室管理员管理会议室。
第二，虚拟地址的管理，也即在项目组的视角，会议室的虚拟地址应该如何组织。
第三，虚拟地址和物理地址如何映射，也即会议室管理员如果管理映射表。
以以下这个程序为例子：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int max_length = 128;
char * generate(int length){
int i;
char * buffer = (char*) malloc (length+1);
if (buffer == NULL)
return NULL;
for (i=0; i<length; i++){
buffer[i]=rand()%26+'a';
}
buffer[length]='\0';
return buffer;
}
int main(int argc, char *argv[])
{
int num;
char * buffer;
printf ("Input the string length : ");
scanf ("%d", &num);
if(num > max_length){
num = max_length;
}
buffer = generate(num);
printf ("Random string is: %s\n",buffer);
free (buffer);
return 0;
}
这个程序用到内存的方式如下：
代码需要放在内存里面；
全局变量，例如max_length；
常量字符串"Input the string length : "；
函数栈，例如局部变量num是作为参数传给generate函数的，这里面涉及了函数调用，局部变量，函数参数等都是保存在函数栈上面的；
堆，malloc分配的内存在堆里面；
这里面涉及对glibc的调用，所以glibc的代码是以so文件的形式存在的，也需要放在内存里面。
malloc会调用系统调用，进入内核，所以这个程序一旦运行起来，内核部分还需要分配内存：
内核的代码要在内存里面；
内核中也有全局变量；
每个进程都要有一个task_struct；
每个进程还有一个内核栈；
在内核里面也有动态分配的内存；
虚拟地址到物理地址的映射表放在哪里？
上述这么多的需求，哪些应该用到虚拟地址，哪些要用到物理地址？要明确的是，只有“会议室管理部门”能真正的使用物理地址，其他所有设计访问会议室的，都要使用虚拟地址，统统通过会议室管理部门转换，进行统一的控制。
现在站在一个进程的角度去看虚拟空间，如果是32位，有2^32 = 4G的内存空间都是我的，不管内存是不是真的有4G。如果是64位，在 x86_64下面，其实只使用了48位，那也是256T的内存空间了。首先，这么大的虚拟空间一切二，一部分用来放内核的东西，称为内核空间，一部分用来放进程的东西，称为用户空间。用户空间在下，在低地址，我们假设就是0号到29号会议室；内核空间 在上，在高地址，我们假设是30号到39号会议室。对于普通进程来说，内核空间的那部分虽然虚拟地址在那里，但是不能访问。
从最低位开始排起，先是Text Segment、Data Segment和BSS Segment。Text Segment是存放二进制可执行代码的位置，Data Segment存放静态常量，BSS Segment存放未初始化的静态变量。前面讲ELF格式的时候提到过，在二进制执行文件里面，就有这三个部分。这里就是把二进制执行文件的三个部分加载到内存里面。
接下来是堆（Heap）段。堆是往高地址增长的，是用来动态分配内存的区域，malloc就是在这里面分配的。
接下来的区域是Memory Mapping Segment。这块地址可以用来把文件映射进内存用的，如果二进制的执行文件依赖于某个动态链接库，就是在这个区域里面将so文件映射到了内存中。
再下面就是栈（Stack）地址段。主线程的函数调用的函数栈就是用这里的。
如果普通进程还想进一步访问内核空间，是没办法的，只能眼巴巴地看着。如果需要进行更高权 限的工作，就需要调用系统调用，进入内核。
一旦进入了内核，就换了一副视角。刚才是普通进程的视角，觉着整个空间是它独占的，没有其 他进程存在。当然另一个进程也这样认为，因为它们互相看不到对方。这也就是说，不同进程的 0号到29号会议室放的东西都不一样。
到了内核里面，无论是从哪个进程进来的，看到的都是同一个内核空间，看到的都是同一个进程列表。虽然内核栈是各用个的，但是如果想知道的话，还是能够知道每个进程的内核栈在哪里的。所以，如果要访问一些公共的数据结构，需要进行锁保护。也就是说，不同的进程进入到内核后，进入的30号到39号会议室是同一批会议室。
内核的代码访问内核的数据结构，大部分的情况下都是使用虚拟地址的，虽然内核代码权限很 大，但是能够使用的虚拟地址范围也只能在内核空间，也即内核代码访问内核数据结构。只能用 30号到39号这些编号，不能用0到29号，因为这些是被进程空间占用的。而且，进程有很多个。 你现在在内核，但是你不知道当前指的0号是哪个进程的0号。
