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。内存为守护进程开辟出守护进程空间,让守护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,不怎么能是了解虚拟内存和内存分页的概念。

内存

简单地说,内存我希望另另一个数据货架。内存有另另一个最小的存储单位,大多数后会另另一个字节。内存用内存地址(memory address)来为每个字节的数据顺序编号。只是,内存地址说明了数据在内存中的位置。内存地址从0之前 开始 英语 ,每次增加1。有一种 线性增加的存储器地址称为线性地址(linear address)。为了方便,亲们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”上端跟着的,我希望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你会存取数据的地址。以英特尔32位的100386型CPU为例,这款CPU有3另另一个针脚可不须要传输地址信息。每个针脚对应了一位。可能针脚上是高电压,这样有一种 位是1。可能是低电压,这样有一种 位是0。32位的电压高低信息通过地址总线传到内存的3另另一个针脚,内存就能把电压高低信息转换成32位的二进制数,从而知道CPU你会的是哪个位置的数据。用十六进制表示,32位地址空间我希望从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,什么都有有存储器的读取时间和数据所在位置有关。就拿磁带来说,亲们想听其中的一首歌,须要转动带子。可能那首歌是第一首,这样立即就可不须要播放。可能那首歌恰巧是最后一首,亲们快进到可不须要播放的位置就须要花很长时间。亲们可能知道,守护进程须要调用内存中不同位置的数据。可能数据读取时间和位置相关搞笑的话,计算机就这样把控守护进程的运行时间。只是,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守护进程。即使守护进程所需空间超过内存空间,内存空间也可不须要通过一定量拓展来弥补。换句话说,内存的存储能力,和计算机运行情況的数据总量相当。内存的缺点是都还里能 了持久地保存数据。一旦断电,内存中的数据就会消失。只是,计算机即使有了内存之前 另另一个主存储器,还是须要硬盘之前 的内部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,我希望存储守护进程的相关数据。亲们之前 可能都看过守护进程空间的守护进程段、全局数据、栈和堆,以及有有哪些有有哪些存储价值形式在守护进程运行中所起到的关键作用。有趣的是,尽管守护进程和内存的关系这样紧密,但守护进程太满能直接访问内存。在Linux下,守护进程都还里能 了直接读写内存中地址为0x1位置的数据。守护进程中能访问的地址,都还里能 了是虚拟内存地址(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。有一种 内存管理土措施,称为虚拟内存(virtual memory)。

每个守护进程后会买车人的一套虚拟内存地址,用来给买车人的守护进程空间编号。守护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类事,后会为数据提供位置索引。守护进程的虚拟内存地址相互独立。只是,另另一个守护进程空间可不须要有相同的虚拟内存地址,如0x100100。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。对守护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

应用守护进程来说对物理内存地址一无所知。它只可能通过虚拟内存地址来进行数据读写。守护进程中表达的内存地址,也后会虚拟内存地址。守护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。可能翻译的过程由操作系统全权负责,什么都有有应用守护进程可不须要在全过程中对物理内存地址一无所知。只是,C守护进程中表达的内存地址,后会虚拟内存地址。比如在C语言中,可不须要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守护进程自由访问物理内存地址的权利。守护进程对物理内存的访问,须要经过操作系统的审查。只是,掌握着内存对应关系的操作系统,也掌握了应用守护进程访问内存的闸门。借助虚拟内存地址,操作系统可不须要保障守护进程空间的独立性。我希望操作系统把另另一个守护进程的守护进程空间对应到不同的内存区域,只是另另一个守护进程空间成为“老死不相往来”的另另一个小王国。另另一个守护进程就可能相互篡改对方的数据,守护进程出错的可能就大为减少。

买车人面,有了虚拟内存地址,内存共享也变得简单。操作系统可不须要把同一物理内存区域对应到多个守护进程空间。之前 ,不须要任何的数据复制,多个守护进程就可不须要都看相同的数据。内核和共享库的映射,我希望通过有一种 土措施进行的。每个守护进程空间中,最初一帕累托图的虚拟内存地址,都对应到物理内存中预留给内核的空间。之前 ,所有的守护进程就可不须要共享同一套内核数据。共享库的情況也是类事。对于任何另另一个共享库,计算机只须要往物理内存中加载一次,就可不须要通过操纵对应关系,来让多个守护进程一同使用。IPO中的共享内存,后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,给守护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,虚拟内存地址可能成为必备的设计。这样,操作系统须要要考虑清楚,怎么里能 能高效地翻译虚拟内存地址。

记录对应关系最简单的土措施,我希望把对应关系记录在一张表中。为了让翻译速率足够地快,有一种 表须要加载在内存中。不过,有一种 记录土措施惊人地浪费。可能树莓派1GB物理内存的每个字节后会另另一个对应记录搞笑的话,这样光是对应关系就要远远超过内存的空间。可能对应关系的条目众多,搜索到另另一个对应关系所需的时间也很长。之前 搞笑的话,会让树莓派陷入瘫痪。

只是,Linux采用了分页(paging)的土措施来记录对应关系。所谓的分页,我希望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。可能你会获取当前树莓派的内存页大小,可不须要使用命令:

得到结果,即内存分页的字节数:

4096

返回的4096代表每个内存页可不须要存放4096个字节,即4KB。Linux把物理内存和守护进程空间都分割成页。

内存分页,可不须要极大地减少所要记录的内存对应关系。亲们可能都看,以字节为单位的对应记录我觉得太满。可能把物理内存和守护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。可能每页的大小是每个字节的1000倍。只是,内存中的总页数我希望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可能。

无论是虚拟页,还是物理页,一页之内的地址后会连续的。之前 搞笑的话,另另一个虚拟页和另另一个物理页对应起来,页内的数据就可不须要按顺序一一对应。这原应,虚拟内存地址和物理内存地址的末尾帕累托图应该完整篇 相同。大多数情況下,每一页有4096个字节。可能4096是2的12次方,什么都有有地址最后12位的对应关系盐晶 成立。亲们把地址的有一种 帕累托图称为偏移量(offset)。偏移量实际上表达了该字节在页内的位置。地址的前一帕累托图则是页编号。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,在于管理守护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。有一种 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。可能每个守护进程会有一套虚拟内存地址,这样每个守护进程后会有另另一个分页表。为了保证查询速率,分页表也会保存在内存中。分页表有什么都有有种实现土措施,最简单的有一种分页表我希望把所有的对应关系记录到同另另一个线性列表中,即如图2中的“对应关系”帕累托图所示。

有一种 单一的连续分页表,须要给每另另一个虚拟页预留三根记录的位置。但对于任何另另一个应用守护进程,其守护进程空间真正用到的地址都相当有限。亲们还记得,守护进程空间会有栈和堆。守护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守护进程空间。这原应,可能使用连续分页表,什么都有有条目都这样真正用到。只是,Linux中的分页表,采用了多层的数据价值形式。多层的分页表都都都还里能 减少所需的空间。

亲们来看另另一个复杂的分页设计,用以说明Linux的多层分页表。亲们把地址分为了页编号和偏移量两帕累托图,用单层的分页表记录页编号帕累托图的对应关系。对于多层分页表来说,会进一步分割页编号为另另一个或更多的帕累托图,只是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,用另另一个十六进制数字表示。第二级对应了后12位页编号,用五个十六进制编号。二级表记录有对应的物理页,即保存了真正的分页记录。二级表有什么都有有张,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,上端记录的前8位后会0x00。翻译地址的过程要跨越两级。亲们先取地址的前8位,在一级表中找到对应记录。该记录会告诉亲们,目标二级表在内存中的位置。亲们再在二级表中,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完整篇 的电话号码分成区号。亲们把同一地区的电话号码以及对应的人名记录同通另另一个小本子上。再用另另一个上级本子记录区号和各个小本子的对应关系。可能某个区号这样使用,这样亲们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样使用,相应的二级表就不须要存在。正是通过有一种 手段,多层分页表存在的空间要比单层分页表少了什么都有有。

多层分页表还只是 优势。单层分页表须要存在于连续的内存空间。而多层分页表的二级表,可不须要散步于内存的不同位置。之前 搞笑的话,操作系统就可不须要利用零碎空间来存储分页表。还须要注意的是,这里复杂了多层分页表的什么都有有细节。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什么都有有。不过,多层分页表的基本原理后会相同。

综上,亲们了解了内存以页为单位的管理土措施。在分页的基础上,虚拟内存和物理内存实现了分离,从而让内核深层参与和监督内存分配。应用守护进程的安全性和稳定性只是大为提高。

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