Linux的内存分页管理

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作者:Vamei 出处:http://www.cnblogs.com/vamei 严禁转载

内存是计算机的主存储器。内存为进程开辟出进程空间,让进程在其中保存数据。我将从内存的物理特性出发,深入到内存管理的细节,有点是了解虚拟内存和内存分页的概念。

内存

简单地说,内存不要 一个 多数据货架。内存一个 多最小的存储单位,大多数还会一个 多字节。内存用内存地址(memory address)来为每个字节的数据顺序编号。以后,内存地址说明了数据在内存中的位置。内存地址从0开始英文,每次增加1。相似 线性增加的存储器地址称为线性地址(linear address)。为了方便,朋友用十六进制数来表示内存地址,比如0x00000003、0x1A010CB0。这里的“0x”用来表示十六进制。“0x”中间跟着的,不要 作为内存地址的十六进制数。

内存地址的编号有上限。地址空间的范围和地址总线(address bus)的位数直接相关。CPU通过地址总线来向内存说明不必存取数据的地址。以英特尔32位的500386型CPU为例,这款CPU有3一个 多针脚还能否 传输地址信息。每个针脚对应了一位。以后 针脚上是高电压,那末相似 位是1。以后 是低电压,那末相似 位是0。32位的电压高低信息通过地址总线传到内存的3一个 多针脚,内存就能把电压高低信息转加进去32位的二进制数,从而知道CPU不必的是哪个位置的数据。用十六进制表示,32位地址空间不要 从0x00000000 到0xFFFFFFFF。

内存的存储单元采用了随机读取存储器(RAM, Random Access Memory)。所谓的“随机读取”,是指存储器的读取时间和数据所在位置无关。与之相对,不要 存储器的读取时间和数据所在位置有关。就拿磁带来说,朋友想听其中的一首歌,都要转动带子。以后 那首歌是第一首,那末立即就还能否 播放。以后 那首歌恰巧是最后一首,朋友快进到还能否 播放的位置就都要花很长时间。朋友以后 知道,进程都要调用内存中不同位置的数据。以后 数据读取时间和位置相关得话,计算机就那末把控进程的运行时间。以后,随机读取的特性是内存成为主存储器的关键因素。

内存提供的存储空间,除了能满足内核的运行需求,还通常能支持运行中的进程。即使进程所需空间超过内存空间,内存空间还能否否 通过几瓶拓展来弥补。换句话说,内存的存储能力,和计算机运行情况报告的数据总量相当。内存的缺点是只有持久地保存数据。一旦断电,内存中的数据就会消失。以后,计算机即使有了内存曾经一个 多主存储器,还是都要硬盘曾经的结构存储器来提供持久的储存空间。

虚拟内存

内存的一项主要任务,不要 存储进程的相关数据。朋友以后 以后 看到过进程空间的进程段、全局数据、栈和堆,以及哪此哪此存储特性在进程运行中所起到的关键作用。有趣的是,尽管进程和内存的关系那末紧密,但进程暂且能直接访问内存。在Linux下,进程只有直接读写内存中地址为0x1位置的数据。进程中能访问的地址,只有是虚拟内存地址(virtual memory address)。操作系统会把虚拟内存地址翻译成真实的内存地址。相似 内存管理依据,称为虚拟内存(virtual memory)。

每个进程还会另一方的一套虚拟内存地址,用来给另一方的进程空间编号。进程空间的数据同样以字节为单位,依次增加。从功能上说,虚拟内存地址和物理内存地址相似,还会为数据提供位置索引。进程的虚拟内存地址相互独立。以后,一个 多进程空间还能否 有相同的虚拟内存地址,如0x5000050000。虚拟内存地址和物理内存地址又有一定的对应关系,如图1所示。对进程某个虚拟内存地址的操作,会被CPU翻译成对某个具体内存地址的操作。

图1 虚拟内存地址和物理内存地址的对应

应用进程来说对物理内存地址一无所知。它只以后 通过虚拟内存地址来进行数据读写。进程中表达的内存地址,也还会虚拟内存地址。进程对虚拟内存地址的操作,会被操作系统翻译成对某个物理内存地址的操作。以后 翻译的过程由操作系统全权负责,不要 应用进程还能否 在全过程中对物理内存地址一无所知。以后,C进程中表达的内存地址,还会虚拟内存地址。比如在C语言中,还能否 用下面指令来打印变量地址:

int v = 0;
printf("%p", (void*)&v);

本质上说,虚拟内存地址剥夺了应用进程自由访问物理内存地址的权利。进程对物理内存的访问,都要经过操作系统的审查。以后,掌握着内存对应关系的操作系统,也掌握了应用进程访问内存的闸门。借助虚拟内存地址,操作系统还能否 保障进程空间的独立性。假若操作系统把一个 多进程的进程空间对应到不同的内存区域,以后一个 多进程空间成为“老死不相往来”的一个 多小王国。一个 多进程就不以后 相互篡改对方的数据,进程出错的以后 性就大为减少。

另一方面,有了虚拟内存地址,内存共享也变得简单。操作系统还能否 把同一物理内存区域对应到多个进程空间。曾经,不都要任何的数据群克隆,多个进程就还能否 看到相同的数据。内核和共享库的映射,不要 通过相似 依据进行的。每个进程空间中,最初一每项的虚拟内存地址,都对应到物理内存中预留给内核的空间。曾经,所有的进程就还能否 共享同一套内核数据。共享库的情况报告也是相似。对于任何一个 多共享库,计算机只都要往物理内存中加载一次,就还能否 通过操纵对应关系,来让多个进程一块儿使用。IPO中的共享内存,还会赖于虚拟内存地址。

内存分页

虚拟内存地址和物理内存地址的分离,给进程带来便利性和安全性。但虚拟内存地址和物理内存地址的翻译,又会额外耗费计算机资源。在多任务的现代计算机中,虚拟内存地址以后 成为必备的设计。那末,操作系统都要要考虑清楚,咋样能高效地翻译虚拟内存地址。

记录对应关系最简单的依据,不要 把对应关系记录在一张表中。为了让翻译下行速率 单位足够地快,相似 表都要加载在内存中。不过,相似 记录依据惊人地浪费。以后 树莓派1GB物理内存的每个字节还会一个 多对应记录得话,那末光是对应关系就要远远超过内存的空间。以后 对应关系的条目众多,搜索到一个 多对应关系所需的时间也很长。曾经得话,会让树莓派陷入瘫痪。

以后,Linux采用了分页(paging)的依据来记录对应关系。所谓的分页,不要 以更大尺寸的单位页(page)来管理内存。在Linux中,通常每页大小为4KB。以后 不必获取当前树莓派的内存页大小,还能否 使用命令:

得到结果,即内存分页的字节数:

4096

返回的4096代表每个内存页还能否 存放4096个字节,即4KB。Linux把物理内存和进程空间都分割成页。

内存分页,还能否 极大地减少所要记录的内存对应关系。朋友以后 看到,以字节为单位的对应记录确实不要 。以后 把物理内存和进程空间的地址都分成页,内核只都要记录页的对应关系,相关的工作量就会大为减少。以后 每页的大小是每个字节的5000倍。以后,内存中的总页数不要 总字节数的四千分之一。对应关系也缩减为原始策略的四千分之一。分页让虚拟内存地址的设计有了实现的以后 。

无论是虚拟页,还是物理页,一页之内的地址还会连续的。曾经得话,一个 多虚拟页和一个 多物理页对应起来,页内的数据就还能否 按顺序一一对应。这原困,虚拟内存地址和物理内存地址的末尾每项应该全部相同。大多数情况报告下,每一页有4096个字节。以后 4096是2的12次方,不要 地址最后12位的对应关系天然冰成立。朋友把地址的相似 每项称为偏移量(offset)。偏移量实际上表达了该字节在页内的位置。地址的前一每项则是页编号。操作系统只都要记录页编号的对应关系。



图2 地址翻译过程

多级分页表

内存分页制度的关键,在于管理进程空间页和物理页的对应关系。操作系统把对应关系记录在分页表(page table)中。相似 对应关系让上层的抽象内存和下层的物理内存分离,从而让Linux能灵活地进行内存管理。以后 每个进程会有一套虚拟内存地址,那末每个进程还会一个 多分页表。为了保证查询下行速率 单位,分页表也会保发生内存中。分页表有不要 种实现依据,最简单的四种 生活分页表不要 把所有的对应关系记录到同一个 多线性列表中,即如图2中的“对应关系”每项所示。

相似 单一的连续分页表,都要给每一个 多虚拟页预留根小记录的位置。但对于任何一个 多应用进程,其进程空间真正用到的地址都相当有限。朋友还记得,进程空间会有栈和堆。进程空间为栈和堆的增长预留了地址,但栈和堆很少会占满进程空间。这原困,以后 使用连续分页表,不要 条目都那末真正用到。以后,Linux中的分页表,采用了多层的数据特性。多层的分页表还能否减少所需的空间。

朋友来看一个 多复杂化的分页设计,用以说明Linux的多层分页表。朋友把地址分为了页编号和偏移量两每项,用单层的分页表记录页编号每项的对应关系。对于多层分页表来说,会进一步分割页编号为一个 多或更多的每项,以后用两层或更多层的分页表来记录其对应关系,如图3所示。



图3 多层分页表



在图3的例子中,页编号分成了两级。第一级对应了前8位页编号,用一个 多十六进制数字表示。第二级对应了后12位页编号,用一个十六进制编号。二级表记录有对应的物理页,即保存了真正的分页记录。二级表有不要 张,每个二级表分页记录对应的虚拟地址前8位都相同。比如二级表0x00,中间记录的前8位还会0x00。翻译地址的过程要跨越两级。朋友先取地址的前8位,在一级表中找到对应记录。该记录会我什么都那末乎 们,目标二级表在内存中的位置。朋友再在二级表中,通过虚拟地址的后12位,找到分页记录,从而最终找到物理地址。

多层分页表就好像把全部的电话号码分成区号。朋友把同一地区的电话号码以及对应的人名记录同通一个 多小本子上。再用一个 多上级本子记录区号和各个小本子的对应关系。以后 某个区号那末使用,那末朋友只都要在上级本子上把该区号标记为空。同样,一级分页表中0x01记录为空,说明了以0x01开头的虚拟地址段那末使用,相应的二级表就不都要发生。正是通过相似 手段,多层分页表发生的空间要比单层分页表少了不要 。

多层分页表还有曾经优势。单层分页表都要发生于连续的内存空间。而多层分页表的二级表,还能否 散步于内存的不同位置。曾经得话,操作系统就还能否 利用零碎空间来存储分页表。还都要注意的是,这里复杂化了多层分页表的不要 细节。最新Linux系统中的分页表多达3层,管理的内存地址也比本章介绍的长不要 。不过,多层分页表的基本原理还会相同。

综上,朋友了解了内存以页为单位的管理依据。在分页的基础上,虚拟内存和物理内存实现了分离,从而让内核宽度参与和监督内存分配。应用进程的安全性和稳定性以后大为提高。

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