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。内存为应用应用系统进程开辟出应用应用系统进程空间,让应用应用系统进程在其中保存数据。我将从内存的物理底部形态出发,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,内存什么都另另一个多数据货架。内存另另一个多最小的存储单位,大多数有的是另另一个多字节。内存用内存地址(memory address)来为每个字节的数据顺序编号。否则,内存地址说明了数据在内存中的位置。内存地址从0刚开始了了,每次增加1。类似于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”上方跟着的,什么都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很久存取数据的地址。以英特尔32位的400386型CPU为例,这款CPU有3另另一个多针脚需要传输地址信息。每个针脚对应了一位。可能针脚上是高电压,没人类似于位是1。可能是低电压,没人类似于位是0。32位的电压高低信息通过地址总线传到内存的3另另一个多针脚,内存就能把电压高低信息转添加32位的二进制数,从而知道CPU很久的是哪个位置的数据。用十六进制表示,32位地址空间什么都从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,需要转动带子。可能那首歌是第一首,没人立即就需要播放。可能那首歌恰巧是最后一首,亲们快进到需要播放的位置就需要花很长时间。亲们可能知道,应用应用系统进程需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句子,计算机就比较慢把控应用应用系统进程的运行时间。否则,随机读取的底部形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应用系统进程。即使应用应用系统进程所需空间超过内存空间,内存空间也需要通过几滴 拓展来弥补。换句话说,内存的存储能力,和计算机运行清况 的数据总量相当。内存的缺点是必须持久地保存数据。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原本 另另一个多主存储器,还是需要硬盘原本 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,什么都存储应用应用系统进程的相关数据。亲们很久可能看到过应用应用系统进程空间的应用系统进程段、全局数据、栈和堆,以及类似于类似于存储底部形态在应用应用应用系统进程中所起到的关键作用。有趣的是,尽管应用应用系统进程和内存的关系没人紧密,但应用应用系统进程并必须直接访问内存。在Linux下,应用应用系统进程必须直接读写内存中地址为0x1位置的数据。应用应用系统进程中能访问的地址,必须是虚拟内存地址(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。类似于内存管理最好的依据,称为虚拟内存(virtual memory)。

每个应用应用系统进程有的是当时人的一套虚拟内存地址,用来给当时人的应用应用系统进程空间编号。应用应用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类似于,有的是为数据提供位置索引。应用应用系统进程的虚拟内存地址相互独立。否则,另另一个多应用应用系统进程空间需要有相同的虚拟内存地址,如0x40004000。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。对应用应用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

应用应用系统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。应用系统进程中表达的内存地址,有的是的是虚拟内存地址。应用应用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。可能翻译的过程由操作系统全权负责,什么都应用应用系统进程需要在全过程中对物理内存地址一无所知。否则,C应用系统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,需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应用系统进程自由访问物理内存地址的权利。应用应用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,操作系统需要保障应用应用系统进程空间的独立性。可是我操作系统把另另一个多应用应用系统进程的应用应用系统进程空间对应到不同的内存区域,很久另另一个多应用应用系统进程空间成为“老死不相往来”的另另一个多小王国。另另一个多应用应用系统进程就可能相互篡改对方的数据,应用应用系统进程出错的可能就大为减少。

当时人面,有了虚拟内存地址,内存共享也变得简单。操作系统需要把同一物理内存区域对应到多个应用应用系统进程空间。原本 ,需要任何的数据qq克隆好友 ,多个应用应用系统进程就需要看到相同的数据。内核和共享库的映射,什么都通过类似于最好的依据进行的。每个应用应用系统进程空间中,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。原本 ,所有的应用应用系统进程就需要共享同一套内核数据。共享库的清况 也是类似于。对于任何另另一个多共享库,计算机只需要往物理内存中加载一次,就需要通过操纵对应关系,来让多个应用应用系统进程一起使用。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,给应用应用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,虚拟内存地址可能成为必备的设计。没人,操作系统需要要考虑清楚,怎样能高效地翻译虚拟内存地址。

记录对应关系最简单的最好的依据,什么都把对应关系记录在一张表中。为了让翻译带宽单位足够地快,类似于表需要加载在内存中。不过,类似于记录最好的依据惊人地浪费。可能树莓派1GB物理内存的每个字节有的是另另一个多对应记录句子,没人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,搜索到另另一个多对应关系所需的时间也很长。原本 句子,会让树莓派陷入瘫痪。

否则,Linux采用了分页(paging)的最好的依据来记录对应关系。所谓的分页,什么都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。可能很久获取当前树莓派的内存页大小,需要使用命令:

得到结果,即内存分页的字节数:

4096

返回的4096代表每个内存页需要存放4096个字节,即4KB。Linux把物理内存和应用应用系统进程空间都分割成页。

内存分页,需要极大地减少所要记录的内存对应关系。亲们可能看到,以字节为单位的对应记录随便说说不要 。可能把物理内存和应用应用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。可能每页的大小是每个字节的4000倍。否则,内存中的总页数什么都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,一页之内的地址有的是连续的。原本 句子,另另一个多虚拟页和另另一个多物理页对应起来,页内的数据就需要按顺序一一对应。这原应,虚拟内存地址和物理内存地址的末尾部分应该完整版相同。大多数清况 下,每一页有4096个字节。可能4096是2的12次方,什么都地址最后12位的对应关系火山岩石石成立。亲们把地址的类似于部分称为偏移量(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,在于管理应用应用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。类似于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。可能每个应用应用系统进程会有一套虚拟内存地址,没人每个应用应用系统进程有的是另另一个多分页表。为了保证查询带宽单位,分页表也会保地处内存中。分页表有什么都种实现最好的依据,最简单的本身 分页表什么都把所有的对应关系记录到同另另一个多线性列表中,即如图2中的“对应关系”部分所示。

类似于单一的连续分页表,需要给每另另一个多虚拟页预留二根记录的位置。但对于任何另另一个多应用应用应用系统进程,其应用应用系统进程空间真正用到的地址都相当有限。亲们还记得,应用应用系统进程空间会有栈和堆。应用应用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应用应用系统进程空间。这原应,可能使用连续分页表,什么都条目都没人真正用到。否则,Linux中的分页表,采用了多层的数据底部形态。多层的分页表有有助于减少所需的空间。

亲们来看另另一个多繁复的分页设计,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另另一个多或更多的部分,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,用另另一个多十六进制数字表示。第二级对应了后12位页编号,用另一个十六进制编号。二级表记录有对应的物理页,即保存了真正的分页记录。二级表有什么都张,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,上方记录的前8位有的是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。该记录会我不知道们,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版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多小本子上。再用另另一个多上级本子记录区号和各个小本子的对应关系。可能某个区号没人使用,没人亲们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开头的虚拟地址段没人使用,相应的二级表就需要地处。正是通过类似于手段,多层分页表地处的空间要比单层分页表少了什么都。

多层分页表还有原本 优势。单层分页表需要地处于连续的内存空间。而多层分页表的二级表,需要散步于内存的不同位置。原本 句子,操作系统就需要利用零碎空间来存储分页表。还需要注意的是,这里繁复了多层分页表的什么都细节。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。不过,多层分页表的基本原理有的是相同。

综上,亲们了解了内存以页为单位的管理最好的依据。在分页的基础上,虚拟内存和物理内存实现了分离,从而让内核深层参与和监督内存分配。应用应用应用系统进程的安全性和稳定性否则大为提高。

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