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。内存为系统进程开辟出系统进程空间,让系统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,不怎么是了解虚拟内存和内存分页的概念。

内存

简单地说,内存过多过多另三个小 多数据货架。内存有另三个小 多最小的存储单位,大多数不是另三个小 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。否则,内存地址说明了数据在内存中的位置。内存地址从0结束了了,每次增加1。这俩 线性增加的存储器地址称为线性地址(linear address)。为了方便,让当你们歌词 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,过多过多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我我想要存取数据的地址。以英特尔32位的200386型CPU为例,这款CPU有3另三个小 多针脚都还可以传输地址信息。每个针脚对应了一位。否则针脚上是高电压,那末这俩 位是1。否则是低电压,那末这俩 位是0。32位的电压高低信息通过地址总线传到内存的3另三个小 多针脚,内存就能把电压高低信息转加带32位的二进制数,从而知道CPU我我想要的是哪个位置的数据。用十六进制表示,32位地址空间过多过多从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,过多过多存储器的读取时间和数据所在位置有关。就拿磁带来说,让当你们歌词 想听其中的一首歌,需要转动带子。否则那首歌是第一首,那末立即就都还可以播放。否则那首歌恰巧是最后一首,让当你们歌词 快进到都还可以播放的位置就需要花很长时间。让当你们歌词 否则知道,系统进程需要调用内存中不同位置的数据。否则数据读取时间和位置相关句子,计算机就真难把控系统进程的运行时间。否则,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系统进程。即使系统进程所需空间超过内存空间,内存空间也都还可以通过小量拓展来弥补。换句话说,内存的存储能力,和计算机运行情况的数据总量相当。内存的缺点是都还可以持久地保存数据。一旦断电,内存中的数据就会消失。否则,计算机即使有了内存那我另三个小 多主存储器,还是需要硬盘那我的内控 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,过多过多存储系统进程的相关数据。让当你们歌词 日后否则看到过系统进程空间的系统进程段、全局数据、栈和堆,以及那此那此存储价值形式在系统进程运行中所起到的关键作用。有趣的是,尽管系统进程和内存的关系那末紧密,但系统进程不须能直接访问内存。在Linux下,系统进程都还可以直接读写内存中地址为0x1位置的数据。系统进程中能访问的地址,都还可以是虚拟内存地址(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。这俩 内存管理辦法 ,称为虚拟内存(virtual memory)。

每个系统进程不是被委托人的一套虚拟内存地址,用来给被委托人的系统进程空间编号。系统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,不是为数据提供位置索引。系统进程的虚拟内存地址相互独立。否则,另三个小 多系统进程空间都还可以有相同的虚拟内存地址,如0x20002000。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。对系统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

应用系统进程来说对物理内存地址一无所知。它只否则通过虚拟内存地址来进行数据读写。系统进程中表达的内存地址,过多过多是虚拟内存地址。系统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。否则翻译的过程由操作系统全权负责,过多过多应用系统进程都还可以在全过程中对物理内存地址一无所知。否则,C系统进程中表达的内存地址,不是虚拟内存地址。比如在C语言中,都还可以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系统进程自由访问物理内存地址的权利。系统进程对物理内存的访问,需要经过操作系统的审查。否则,掌握着内存对应关系的操作系统,也掌握了应用系统进程访问内存的闸门。借助虚拟内存地址,操作系统都还可以保障系统进程空间的独立性。只要操作系统把另三个小 多系统进程的系统进程空间对应到不同的内存区域,以后另三个小 多系统进程空间成为“老死不相往来”的另三个小 多小王国。另三个小 多系统进程就不否则相互篡改对方的数据,系统进程出错的否则性就大为减少。

被委托人面,有了虚拟内存地址,内存共享也变得简单。操作系统都还可以把同一物理内存区域对应到多个系统进程空间。那我,需要任何的数据克隆qq好友好友,多个系统进程就都还可以看到相同的数据。内核和共享库的映射,过多过多通过这俩 辦法 进行的。每个系统进程空间中,最初一次责的虚拟内存地址,都对应到物理内存中预留给内核的空间。那我,所有的系统进程就都还可以共享同一套内核数据。共享库的情况也是同类。对于任何另三个小 多共享库,计算机只需要往物理内存中加载一次,就都还可以通过操纵对应关系,来让多个系统进程一起去使用。IPO中的共享内存,不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,给系统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,虚拟内存地址否则成为必备的设计。那末,操作系统需要要考虑清楚,怎么高效地翻译虚拟内存地址。

记录对应关系最简单的辦法 ,过多过多把对应关系记录在一张表中。为了让翻译带宽足够地快,这俩 表需要加载在内存中。不过,这俩 记录辦法 惊人地浪费。否则树莓派1GB物理内存的每个字节不是另三个小 多对应记录句子,那末光是对应关系就要远远超过内存的空间。否则对应关系的条目众多,搜索到另三个小 多对应关系所需的时间也很长。那我句子,会让树莓派陷入瘫痪。

否则,Linux采用了分页(paging)的辦法 来记录对应关系。所谓的分页,过多过多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。否则我我想要获取当前树莓派的内存页大小,都还可以使用命令:

得到结果,即内存分页的字节数:

4096

返回的4096代表每个内存页都还可以存放4096个字节,即4KB。Linux把物理内存和系统进程空间都分割成页。

内存分页,都还可以极大地减少所要记录的内存对应关系。让当你们歌词 否则看到,以字节为单位的对应记录其实过多。否则把物理内存和系统进程空间的地址都分成页,内核只需要记录页的对应关系,相关的工作量就会大为减少。否则每页的大小是每个字节的2000倍。否则,内存中的总页数过多过多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否则。

无论是虚拟页,还是物理页,一页之内的地址不是连续的。那我句子,另三个小 多虚拟页和另三个小 多物理页对应起来,页内的数据就都还可以按顺序一一对应。这愿因,虚拟内存地址和物理内存地址的末尾次责应该删剪相同。大多数情况下,每一页有4096个字节。否则4096是2的12次方,过多过多地址最后12位的对应关系全天然成立。让当你们歌词 把地址的这俩 次责称为偏移量(offset)。偏移量实际上表达了该字节在页内的位置。地址的前一次责则是页编号。操作系统只需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,在于管理系统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。这俩 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。否则每个系统进程会有一套虚拟内存地址,那末每个系统进程不是有另三个小 多分页表。为了保证查询带宽,分页表也会保趋于稳定内存中。分页表有过多过多种实现辦法 ,最简单的一种生活分页表过多过多把所有的对应关系记录到同另三个小 多线性列表中,即如图2中的“对应关系”次责所示。

这俩 单一的连续分页表,需要给每另三个小 多虚拟页预留第一根记录的位置。但对于任何另三个小 多应用系统进程,其系统进程空间真正用到的地址都相当有限。让当你们歌词 还记得,系统进程空间会有栈和堆。系统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系统进程空间。这愿因,否则使用连续分页表,过多过多条目都那末真正用到。否则,Linux中的分页表,采用了多层的数据价值形式。多层的分页表都还可以减少所需的空间。

让当你们歌词 来看另三个小 多复杂化的分页设计,用以说明Linux的多层分页表。让当你们歌词 把地址分为了页编号和偏移量两次责,用单层的分页表记录页编号次责的对应关系。对于多层分页表来说,会进一步分割页编号为另三个小 多或更多的次责,否则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,用另三个小 多十六进制数字表示。第二级对应了后12位页编号,用三个小 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。二级表有过多过多张,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位不是0x00。翻译地址的过程要跨越两级。让当你们歌词 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。让当你们歌词 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删剪的电话号码分成区号。让当你们歌词 把同一地区的电话号码以及对应的人名记录同通另三个小 多小本子上。再用另三个小 多上级本子记录区号和各个小本子的对应关系。否则某个区号那末使用,那末让当你们歌词 只需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,相应的二级表就需要趋于稳定。正是通过这俩 手段,多层分页表趋于稳定的空间要比单层分页表少了过多过多。

多层分页表还有那我优势。单层分页表需要趋于稳定于连续的内存空间。而多层分页表的二级表,都还可以散步于内存的不同位置。那我句子,操作系统就都还可以利用零碎空间来存储分页表。还需要注意的是,这里复杂化了多层分页表的过多过多细节。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过多过多。不过,多层分页表的基本原理不是相同。

综上,让当你们歌词 了解了内存以页为单位的管理辦法 。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。应用系统进程的安全性和稳定性否则大为提高。

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