一、共享：两个虚拟地址，一份物理内存

进程 A 把某一页映射进来，进程 B 也把【同一页物理内存】映射进来。 两张页表里填的是同一个物理页号。 于是 A 写一个字节，B 立刻看得见——中间没有任何拷贝。 这就是共享内存。它比【发消息】快，因为省掉了两次拷贝；但它也比【发消息】危险——没有边界，谁都能改。 所以共享内存必须配一把锁或者一个信号量，而这把锁又是另一个麻烦（进程崩了锁怎么办）。

二、保护：只读就是真的只读

页表项里有 R／W 位和 U／S 位。 把代码段的页设成【只读】，往里写一个字节，CPU 立刻抛异常——这不是软件检查，是硬件拦的。 把内核的页设成【用户态不可访问】，用户程序就翻不到内核内存。 这带来一个重要认识：权限不是【约定】，是【翻译表的一部分】。 所以绕过权限的唯一办法是【改页表】，而改页表需要特权指令。

三、四件事，一个机制

共享内存：两张表填同一个物理页号。 文件映射（5.12）：页表直接指向页缓存里的页，读写文件等于读写内存。 写时复制（5.14）：先让两边指向同一页并设成只读，谁写谁触发异常，这时候才复制。 Swap（5.15）：把页表项的 P 位改成 0，内容挪到磁盘；再访问就缺页，从磁盘换回来。 四件事全是【改页表项】的三种字段组合出来——物理页号、权限位、P 位。

四、这个认识的用处

它把一堆【听起来不同的功能】收成一个【机制】，记起来省力，出问题时也知道该往哪看。 比如【内存明明够但申请失败】——可能是虚拟地址空间不够，不是物理内存不够。 比如【共享内存里的数据没同步】——因为它是同一块物理内存，两个进程的写没有先后保证。 比如【文件改了但程序读到旧的】——因为那一页还在页缓存里，没重新映射。

五、动手 Demo：虚拟内存的应用——共享、保护、按需

这一节真跑两件事：同一个文件映射两次，写一处看另一处；以只读方式映射，往里写看报不报错。

import mmap

with open("shared.bin", "w+b") as f:
    f.write(b"\x00" * 65536)

with open("shared.bin", "r+b") as f:
    m1 = mmap.mmap(f.fileno(), 0)
    m2 = mmap.mmap(f.fileno(), 0)
    m1[0:4] = b"\xDE\xAD\xBE\xEF"
    print("从映射二读:", m2[0:4])

with open("shared.bin", "rb") as f:
    m = mmap.mmap(f.fileno(), 0, access=mmap.ACCESS_READ)
    try:
        m[0] = 1
    except TypeError as e:
        print("写只读映射 ->", type(e).__name__)

实跑输出：

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虚拟内存的应用——共享、保护、按需
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① 同一块内存，两个地址：一个改了，另一个立刻看见

  动作                           结果
  -------------------------------------------
  通过映射一写入 DE AD BE EF     —
  从映射二读出                   DE AD BE EF
  两者是同一份物理内存吗         是

  **这就是 5.11 的核心**：**两个映射的虚拟地址不同，页表指向同一批物理页。**
  **所以写一个等于写另一个——共享内存不需要拷贝。**

② 只读映射：想写就报错

  动作               结果
  -----------------------------------------
  以只读方式映射     成功
  往里写一个字节     被挡住了（TypeError）

  **保护位是页表项里的 W 那一位**：**写只读页，CPU 直接抛异常。**
  **这不是【检查了一下】，是硬件拦的，绕不过去。**

③ 虚拟内存顺手支撑的四件事

  用途                 靠哪条机制
  --------------------------------------------------------
  共享内存             两个页表填同一个物理页号
  文件映射（5.12）     页表直接指向页缓存里的页
  写时复制（5.14）     先共享，写的时候才复制
  Swap（5.15）         页表项改成【不在了】，内容挪到盘上

第一个结果：通过映射一写进去的四个字节，从映射二读出来了。两者是同一份物理内存，所以不需要任何同步或拷贝。 第二个结果：写只读映射抛了 TypeError。在 Linux 上是总线错误（SIGBUS）或段错误（SIGSEGV），性质一样——硬件拦的。 注意这两个实验都不用任何特权：共享与保护是【普通程序也能用】的机制。 所以【进程隔离】不是绝对安全——它只保证【不通过页表就看不见】。

📋 Linux 上看共享内存段：ipcs -m 列出所有 System V 共享内存，ls -l /dev/shm 看 POSIX 共享内存（其实就是 tmpfs 里的文件）。

30 秒实验

1. ls -l /dev/shm，看有没有程序在用 POSIX 共享内存。
2. ipcs -m，看 System V 共享内存段的字节数与连接进程数。
3. 用 Python 的 multiprocessing.shared_memory 建一块共享内存，两个进程各写一角，验证互相可见。

常见误区

1. 【共享内存要拷贝数据】。不拷贝——两个页表填的是同一个物理页号。
2. 【只读是软件检查】。是页表项里的权限位，CPU 直接抛异常，绕不过去。
3. 【虚拟内存只有【扩大内存】一个用途】。共享、保护、映射、COW、Swap 全是它的用途。

• ☐ 5.12 文件映射

相关笔记

• 虚拟内存 — 机制本身
• 文件映射 — 把文件挂上来
• 写时复制 — 先共享再复制
• 🐧 Linux是怎样工作的 · 索引