一、虚拟内存地址

1.为什么要有虚拟内存地址？

因为如果CPU直接访问物理内存，那如果两个进程写入一个物理地址，那值就会改变。对于一个操作系统而言，一个重要任务就是做地址隔离。操作系统为每个进程分配一套独立的虚拟地址，这样每个进程互不干涉。

应用程序中使用的地址是虚拟内存地址，实际存在于硬件里面的地址是物理内存地址。至于虚拟内存如何对应到物理内存，是由CPU芯片中的内存管理单元（MMU）实现。

内存映射主要有分段和分页的形式， 分段时每一段大小不统一，导致内存碎片和内存交换效率低，因此，Linux系统主要采用分页，每页4KB，不会产生细小的内存碎片，内存交换写入硬盘的也只有一页或几页。但由于Intel处理器历史原因，分段不可避免，被用于访问控制和内存保护。

对于分页，简单分页产生的页表过大的问题，就有了多级页表，但这就会导致 CPU 在寻址的过程中需要有很多层表参与，加大了时间上的开销。于是 CPU 芯片中加入了 TLB，负责缓存最近常被访问的页表项，大大提高了地址的转换速度。

2.虚拟地址好处

虚拟地址好处：

避免用户直接访问物理地址，保护系统；
进程间安全；
内存分配和释放更方便：不连续几块儿物理内存可以映射到连续的一块虚拟内存；
各进程分配之和可以大于实际可用的物理内存。

二、用户空间和内核空间

1.概念

这里所说的用户空间和内核空间指的都是上面所说的虚拟地址空间，物理地址不用我们去考虑。

虚拟地址空间实现了进程的隔离。

以32位linux操作系统为例，每个进程被分配4GB的虚拟内存，因为一个指针长度是 4 字节，将虚拟地址空间的最高的1G字节（从虚拟地址 0xC0000000 到 0xFFFFFFFF ）供内核使用，称为内核空间，而较低的 3G 字节（从虚拟地址 0x00000000 到0xBFFFFFFF），供各个进程使用，称为用户空间。用户空间是独立的，而内核空间是共有的，进程切换时，用户空间切换，内核空间不变。

2.用户态和内核态

当一个任务（进程）执行系统调用而进入内核代码中执行时，我们就称进程处于内核运行态（或简称为内核态）此时处理器处于特权级最高的（0级）内核代码中执行。当进程在执行用户自己的代码时，则称其处于用户运行态（用户态）。即此时处理器在特权级最低的（3级）用户代码中运行。处理器在特权等级高的时候才能执行那些特权CPU指令。