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。我将从内存的物理价值形式出发,深入到内存管理的细节,怪怪的是了解虚拟内存和内存分页的概念。

内存

简单地说,内存因此一有一个 数据货架。内存有一有一个 最小的存储单位,大多数有的是一有一个 字节。内存用内存地址(memory address)来为每个字节的数据顺序编号。因此,内存地址说明了数据在内存中的位置。内存地址从0但是 现在开始了了,每次增加1。你你这些 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”里边跟着的,因此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让你 存取数据的地址。以英特尔32位的1000386型CPU为例,这款CPU有3有一个 针脚还里能传输地址信息。每个针脚对应了一位。肯能针脚上是高电压,这麼你你这些 位是1。肯能是低电压,这麼你你这些 位是0。32位的电压高低信息通过地址总线传到内存的3有一个 针脚,内存就能把电压高低信息转再加32位的二进制数,从而知道CPU让你 的是哪个位置的数据。用十六进制表示,32位地址空间因此从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,你这些 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,须要转动带子。肯能那首歌是第一首,这麼立即就还里能播放。肯能那首歌恰巧是最后一首,朋友快进到还里能播放的位置就须要花很长时间。朋友肯能知道,进程须要调用内存中不同位置的数据。肯能数据读取时间和位置相关一句话,计算机就很难把控进程的运行时间。因此,随机读取的价值形式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,内存空间也还里能通过小量拓展来弥补。换句话说,内存的存储能力,和计算机运行请况的数据总量相当。内存的缺点是都还里能持久地保存数据。一旦断电,内存中的数据就会消失。因此,计算机即使有了内存有一个 一有一个 主存储器,还是须要硬盘有一个 的组织组织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,因此存储进程的相关数据。朋友但是 肯能看一遍过进程空间的进程段、全局数据、栈和堆,以及哪些地方地方哪些地方地方存储价值形式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这麼紧密,但进程并非能直接访问内存。在Linux下,进程都还里能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,都还里能是虚拟内存地址(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。你你这些 内存管理方式,称为虚拟内存(virtual memory)。

每个进程有的是我本人的一套虚拟内存地址,用来给我本人的进程空间编号。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同类,有的是为数据提供位置索引。进程的虚拟内存地址相互独立。因此,有一个 进程空间还里能有相同的虚拟内存地址,如0x1000010000。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。它只肯能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,也有的是虚拟内存地址。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。肯能翻译的过程由操作系统全权负责,你这些 应用进程还里能在全过程中对物理内存地址一无所知。因此,C进程中表达的内存地址,有的是虚拟内存地址。比如在C语言中,还里能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,须要经过操作系统的审查。因此,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,操作系统还里能保障进程空间的独立性。假若操作系统把有一个 进程的进程空间对应到不同的内存区域,但是 有一个 进程空间成为“老死不相往来”的有一个 小王国。有一个 进程就不肯能相互篡改对方的数据,进程出错的肯能性就大为减少。

我本人面,有了虚拟内存地址,内存共享也变得简单。操作系统还里能把同一物理内存区域对应到多个进程空间。有一个 ,不须要任何的数据好友克隆,多个进程就还里能看一遍相同的数据。内核和共享库的映射,因此通过你你这些 方式进行的。每个进程空间中,最初一偏离 的虚拟内存地址,都对应到物理内存中预留给内核的空间。有一个 ,所有的进程就还里能共享同一套内核数据。共享库的请况也是同类。对于任何一有一个 共享库,计算机只须要往物理内存中加载一次,就还里能通过操纵对应关系,来让多个进程并肩使用。IPO中的共享内存,有的是赖于虚拟内存地址。

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,虚拟内存地址肯能成为必备的设计。这麼,操作系统须要要考虑清楚,咋样能高效地翻译虚拟内存地址。

记录对应关系最简单的方式,因此把对应关系记录在一张表中。为了让翻译数率足够地快,你你这些 表须要加载在内存中。不过,你你这些 记录方式惊人地浪费。肯能树莓派1GB物理内存的每个字节有的是一有一个 对应记录一句话,这麼光是对应关系就要远远超过内存的空间。肯能对应关系的条目众多,搜索到一有一个 对应关系所需的时间也很长。有一个 一句话,会让树莓派陷入瘫痪。

因此,Linux采用了分页(paging)的方式来记录对应关系。所谓的分页,因此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。肯能让你 获取当前树莓派的内存页大小,还里能使用命令:

得到结果,即内存分页的字节数:

4096

返回的4096代表每个内存页还里能存放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,还里能极大地减少所要记录的内存对应关系。朋友肯能看一遍,以字节为单位的对应记录真是这麼来不要 。肯能把物理内存和进程空间的地址都分成页,内核只须要记录页的对应关系,相关的工作量就会大为减少。肯能每页的大小是每个字节的10000倍。因此,内存中的总页数因此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肯能。

无论是虚拟页,还是物理页,一页之内的地址有的是连续的。有一个 一句话,一有一个 虚拟页和一有一个 物理页对应起来,页内的数据就还里能按顺序一一对应。这原困,虚拟内存地址和物理内存地址的末尾偏离 应该全版相同。大多数请况下,每一页有4096个字节。肯能4096是2的12次方,你这些 地址最后12位的对应关系天然成立。朋友把地址的你你这些 偏离 称为偏移量(offset)。偏移量实际上表达了该字节在页内的位置。地址的前一偏离 则是页编号。操作系统只须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。你你这些 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。肯能每个进程会有一套虚拟内存地址,这麼每个进程有的是有一有一个 分页表。为了保证查询数率,分页表也会保所处内存中。分页表有你这些 种实现方式,最简单的一种分页表因此把所有的对应关系记录到同一有一个 线性列表中,即如图2中的“对应关系”偏离 所示。

你你这些 单一的连续分页表,须要给每一有一个 虚拟页预留一条记录的位置。但对于任何一有一个 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,肯能使用连续分页表,你这些 条目都这麼真正用到。因此,Linux中的分页表,采用了多层的数据价值形式。多层的分页表都都还里能减少所需的空间。

朋友来看一有一个 繁杂的分页设计,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偏离 ,用单层的分页表记录页编号偏离 的对应关系。对于多层分页表来说,会进一步分割页编号为有一个 或更多的偏离 ,因此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,用有一个 十六进制数字表示。第二级对应了后12位页编号,用有一个十六进制编号。二级表记录有对应的物理页,即保存了真正的分页记录。二级表有你这些 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,里边记录的前8位有的是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。该记录会我不知道们,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版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有一个 小本子上。再用一有一个 上级本子记录区号和各个小本子的对应关系。肯能某个区号这麼使用,这麼朋友只须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开头的虚拟地址段这麼使用,相应的二级表就不须要所处。正是通过你你这些 手段,多层分页表所处的空间要比单层分页表少了你这些 。

多层分页表有一个 优势。单层分页表须要所处于连续的内存空间。而多层分页表的二级表,还里能散步于内存的不同位置。有一个 一句话,操作系统就还里能利用零碎空间来存储分页表。还须要注意的是,这里繁杂了多层分页表的你这些 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你这些 。不过,多层分页表的基本原理有的是相同。

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

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