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。内存为应用程序开辟出应用程序空间,让应用程序在其中保存数据。我将从内存的物理行态出发,深入到内存管理的细节,很重是了解虚拟内存和内存分页的概念。

内存

简单地说,内存其他我一个多多数据货架。内存一个多多多最小的存储单位,大多数也一个多多字节。内存用内存地址(memory address)来为每个字节的数据顺序编号。其他我,内存地址说明了数据在内存中的位置。内存地址从0但是开始了了,每次增加1。你這個线性增加的存储器地址称为线性地址(linear address)。为了方便,我们 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”顶端跟着的,其他我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需要存取数据的地址。以英特尔32位的30386型CPU为例,这款CPU有3一个多多针脚都都可不都都可以传输地址信息。每个针脚对应了一位。可能针脚上是高电压,越来越你這個位是1。可能是低电压,越来越你這個位是0。32位的电压高低信息通过地址总线传到内存的3一个多多针脚,内存就能把电压高低信息转上加32位的二进制数,从而知道CPU不需要的是哪个位置的数据。用十六进制表示,32位地址空间其他我从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,其他存储器的读取时间和数据所在位置有关。就拿磁带来说,我们 想听其中的一首歌,须要转动带子。可能那首歌是第一首,越来越立即就都都可不都都可以播放。可能那首歌恰巧是最后一首,我们 快进到都都可不都都可以播放的位置就须要花很长时间。我们 可能知道,应用程序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得话,计算机就不能自己把控应用程序的运行时间。其他我,随机读取的行态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应用程序。即使应用程序所需空间超过内存空间,内存空间也都都可不都都可以通过大量拓展来弥补。换句话说,内存的存储能力,和计算机运行具体情况的数据总量相当。内存的缺点是越来越持久地保存数据。一旦断电,内存中的数据就会消失。其他我,计算机即使有了内存一个多多多一个多多主存储器,还是须要硬盘一个多多多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,其他我存储应用程序的相关数据。我们 但是可能都看过应用程序空间的应用程序段、全局数据、栈和堆,以及哪几条哪几条存储行态在应用应用程序中所起到的关键作用。有趣的是,尽管应用程序和内存的关系越来越紧密,但应用程序并非能直接访问内存。在Linux下,应用程序越来越直接读写内存中地址为0x1位置的数据。应用程序中能访问的地址,越来越是虚拟内存地址(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。你這個内存管理方式,称为虚拟内存(virtual memory)。

每个应用程序也有个人的一套虚拟内存地址,用来给个人的应用程序空间编号。应用程序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似于,也有为数据提供位置索引。应用程序的虚拟内存地址相互独立。其他我,一个多多应用程序空间都都可不都都可以有相同的虚拟内存地址,如0x3030。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。对应用程序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

应用应用程序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。应用程序中表达的内存地址,也有的是虚拟内存地址。应用程序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,其他应用应用程序都都可不都都可以在全过程中对物理内存地址一无所知。其他我,C应用程序中表达的内存地址,也有虚拟内存地址。比如在C语言中,都都可不都都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应用程序自由访问物理内存地址的权利。应用程序对物理内存的访问,须要经过操作系统的审查。其他我,掌握着内存对应关系的操作系统,也掌握了应用应用程序访问内存的闸门。借助虚拟内存地址,操作系统都都可不都都可以保障应用程序空间的独立性。只是操作系统把一个多多应用程序的应用程序空间对应到不同的内存区域,但是一个多多应用程序空间成为“老死不相往来”的一个多多小王国。一个多多应用程序就可能相互篡改对方的数据,应用程序出错的可能就大为减少。

个人面,有了虚拟内存地址,内存共享也变得简单。操作系统都都可不都都可以把同一物理内存区域对应到多个应用程序空间。一个多多多,不须要任何的数据好友克隆,多个应用程序就都都可不都都可以都看相同的数据。内核和共享库的映射,其他我通过你這個方式进行的。每个应用程序空间中,最初一部分的虚拟内存地址,都对应到物理内存中预留给内核的空间。一个多多多,所有的应用程序就都都可不都都可以共享同一套内核数据。共享库的具体情况也是类似于。对于任何一个多多共享库,计算机只须要往物理内存中加载一次,就都都可不都都可以通过操纵对应关系,来让多个应用程序一同使用。IPO中的共享内存,也有赖于虚拟内存地址。

内存分页

虚拟内存地址和物理内存地址的分离,给应用程序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。越来越,操作系统须要要考虑清楚,如可能高效地翻译虚拟内存地址。

记录对应关系最简单的方式,其他我把对应关系记录在一张表中。为了让翻译传输波特率足够地快,你這個表须要加载在内存中。不过,你這個记录方式惊人地浪费。可能树莓派1GB物理内存的每个字节都一个多多多对应记录得话,越来越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,搜索到一个多多对应关系所需的时间也很长。一个多多多得话,会让树莓派陷入瘫痪。

其他我,Linux采用了分页(paging)的方式来记录对应关系。所谓的分页,其他我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。可能不需要获取当前树莓派的内存页大小,都都可不都都可以使用命令:

得到结果,即内存分页的字节数:

4096

返回的4096代表每个内存页都都可不都都可以存放4096个字节,即4KB。Linux把物理内存和应用程序空间都分割成页。

内存分页,都都可不都都可以极大地减少所要记录的内存对应关系。我们 可能都看,以字节为单位的对应记录确实不需要 。可能把物理内存和应用程序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300倍。其他我,内存中的总页数其他我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,一页之内的地址也有连续的。一个多多多得话,一个多多虚拟页和一个多多物理页对应起来,页内的数据就都都可不都都可以按顺序一一对应。这是因为着,虚拟内存地址和物理内存地址的末尾部分应该完整篇 相同。大多数具体情况下,每一页有4096个字节。可能4096是2的12次方,其他地址最后12位的对应关系火山岩成立。我们 把地址的你這個部分称为偏移量(offset)。偏移量实际上表达了该字节在页内的位置。地址的前一部分则是页编号。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,在于管理应用程序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。你這個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。可能每个应用程序会有一套虚拟内存地址,越来越每个应用程序也一个多多多分页表。为了保证查询传输波特率,分页表也会保居于内存中。分页表有其他种实现方式,最简单的并也有分页表其他我把所有的对应关系记录到同一个多多线性列表中,即如图2中的“对应关系”部分所示。

你這個单一的连续分页表,须要给每一个多多虚拟页预留二根记录的位置。但对于任何一个多多应用应用程序,其应用程序空间真正用到的地址都相当有限。我们 还记得,应用程序空间会有栈和堆。应用程序空间为栈和堆的增长预留了地址,但栈和堆很少会占满应用程序空间。这是因为着,可能使用连续分页表,其他条目都越来越真正用到。其他我,Linux中的分页表,采用了多层的数据行态。多层的分页表都都可不都都可以减少所需的空间。

我们 来看一个多多繁杂的分页设计,用以说明Linux的多层分页表。我们 把地址分为了页编号和偏移量两部分,用单层的分页表记录页编号部分的对应关系。对于多层分页表来说,会进一步分割页编号为一个多多或更多的部分,其他我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,用一个多多十六进制数字表示。第二级对应了后12位页编号,用六个十六进制编号。二级表记录有对应的物理页,即保存了真正的分页记录。二级表有其他张,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,顶端记录的前8位也有0x00。翻译地址的过程要跨越两级。我们 先取地址的前8位,在一级表中找到对应记录。该记录会告诉我们 ,目标二级表在内存中的位置。我们 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。我们 把同一地区的电话号码以及对应的人名记录同通一个多多小本子上。再用一个多多上级本子记录区号和各个小本子的对应关系。可能某个区号越来越使用,越来越我们 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开头的虚拟地址段越来越使用,相应的二级表就不须要居于。正是通过你這個手段,多层分页表居于的空间要比单层分页表少了其他。

多层分页表还一个多多多多优势。单层分页表须要居于于连续的内存空间。而多层分页表的二级表,都都可不都都可以散步于内存的不同位置。一个多多多得话,操作系统就都都可不都都可以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其他细节。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其他。不过,多层分页表的基本原理也有相同。

综上,我们 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,从而让内核高度参与和监督内存分配。应用应用程序的安全性和稳定性其他我大为提高。

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