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。内存为系统多多线程 开辟出系统多多线程 空间,让系统多多线程 在其中保存数据。我将从内存的物理形态出发,深入到内存管理的细节,不得劲是了解虚拟内存和内存分页的概念。

内存

简单地说,内存却说有有一1个数据货架。内存有有有一1个最小的存储单位,大多数有的是有有一1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。却说 ,内存地址说明了数据在内存中的位置。内存地址从0刚开始了了英语 ,每次增加1。你你某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”上方跟着的,却说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要存取数据的地址。以英特尔32位的400386型CPU为例,这款CPU有3有有一1个针脚可不时要传输地址信息。每个针脚对应了一位。机会针脚上是高电压,没办法 你你某种位是1。机会是低电压,没办法 你你某种位是0。32位的电压高低信息通过地址总线传到内存的3有有一1个针脚,内存就能把电压高低信息转加进去32位的二进制数,从而知道CPU你要的是哪个位置的数据。用十六进制表示,32位地址空间却说从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,所以 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,时要转动带子。机会那首歌是第一首,没办法 立即就可不时要播放。机会那首歌恰巧是最后一首,亲们快进到可不时要播放的位置就时要花很长时间。亲们机会知道,系统多多线程 时要调用内存中不同位置的数据。机会数据读取时间和位置相关话语,计算机就没能把控系统多多线程 的运行时间。却说 ,随机读取的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系统多多线程 。即使系统多多线程 所需空间超过内存空间,内存空间也可不时要通过少量拓展来弥补。换句话说,内存的存储能力,和计算机运行情况报告的数据总量相当。内存的缺点是只能持久地保存数据。一旦断电,内存中的数据就会消失。却说 ,计算机即使有了内存有有一1个有有一1个主存储器,还是时要硬盘有有一1个的外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,却说存储系统多多线程 的相关数据。亲们却说机会看一遍过系统多多线程 空间的系统多多线程 段、全局数据、栈和堆,以及那些那些存储形态在系统多多线程 运行中所起到的关键作用。有趣的是,尽管系统多多线程 和内存的关系没办法 紧密,但系统多多线程 不须能直接访问内存。在Linux下,系统多多线程 只能直接读写内存中地址为0x1位置的数据。系统多多线程 中能访问的地址,只能是虚拟内存地址(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。你你某种内存管理最好的法子,称为虚拟内存(virtual memory)。

每个系统多多线程 有的是个人的一套虚拟内存地址,用来给个人的系统多多线程 空间编号。系统多多线程 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之类,有的是为数据提供位置索引。系统多多线程 的虚拟内存地址相互独立。却说 ,有有一1个系统多多线程 空间可不时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。对系统多多线程 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

应用系统多多线程 来说对物理内存地址一无所知。它只机会通过虚拟内存地址来进行数据读写。系统多多线程 中表达的内存地址,也有的是虚拟内存地址。系统多多线程 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。机会翻译的过程由操作系统全权负责,所以 应用系统多多线程 可不时要在全过程中对物理内存地址一无所知。却说 ,C系统多多线程 中表达的内存地址,有的是虚拟内存地址。比如在C语言中,可不时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系统多多线程 自由访问物理内存地址的权利。系统多多线程 对物理内存的访问,时要经过操作系统的审查。却说 ,掌握着内存对应关系的操作系统,也掌握了应用系统多多线程 访问内存的闸门。借助虚拟内存地址,操作系统可不时要保障系统多多线程 空间的独立性。却说操作系统把有有一1个系统多多线程 的系统多多线程 空间对应到不同的内存区域,却说有有一1个系统多多线程 空间成为“老死不相往来”的有有一1个小王国。有有一1个系统多多线程 就不机会相互篡改对方的数据,系统多多线程 出错的机会性就大为减少。

个人面,有了虚拟内存地址,内存共享也变得简单。操作系统可不时要把同一物理内存区域对应到多个系统多多线程 空间。有有一1个,不时要任何的数据一键复制,多个系统多多线程 就可不时要看一遍相同的数据。内核和共享库的映射,却说通过你你某种最好的法子进行的。每个系统多多线程 空间中,最初一每项的虚拟内存地址,都对应到物理内存中预留给内核的空间。有有一1个,所有的系统多多线程 就可不时要共享同一套内核数据。共享库的情况报告也是之类。对于任何有有一1个共享库,计算机只时要往物理内存中加载一次,就可不时要通过操纵对应关系,来让多个系统多多线程 一同使用。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,给系统多多线程 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,虚拟内存地址机会成为必备的设计。没办法 ,操作系统时要要考虑清楚,咋样能高效地翻译虚拟内存地址。

记录对应关系最简单的最好的法子,却说把对应关系记录在一张表中。为了让翻译时延足够地快,你你某种表时要加载在内存中。不过,你你某种记录最好的法子惊人地浪费。机会树莓派1GB物理内存的每个字节有的是有有一1个对应记录话语,没办法 光是对应关系就要远远超过内存的空间。机会对应关系的条目众多,搜索到有有一1个对应关系所需的时间也很长。有有一1个话语,会让树莓派陷入瘫痪。

却说 ,Linux采用了分页(paging)的最好的法子来记录对应关系。所谓的分页,却说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。机会你要获取当前树莓派的内存页大小,可不时要使用命令:

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时要存放4096个字节,即4KB。Linux把物理内存和系统多多线程 空间都分割成页。

内存分页,可不时要极大地减少所要记录的内存对应关系。亲们机会看一遍,以字节为单位的对应记录确实不多。机会把物理内存和系统多多线程 空间的地址都分成页,内核只时要记录页的对应关系,相关的工作量就会大为减少。机会每页的大小是每个字节的4000倍。却说 ,内存中的总页数却说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机会。

无论是虚拟页,还是物理页,一页之内的地址有的是连续的。有有一1个话语,有有一1个虚拟页和有有一1个物理页对应起来,页内的数据就可不时要按顺序一一对应。这意味,虚拟内存地址和物理内存地址的末尾每项应该完全相同。大多数情况报告下,每一页有4096个字节。机会4096是2的12次方,所以 地址最后12位的对应关系盐晶 成立。亲们把地址的你你某种每项称为偏移量(offset)。偏移量实际上表达了该字节在页内的位置。地址的前一每项则是页编号。操作系统只时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,在于管理系统多多线程 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。你你某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。机会每个系统多多线程 会有一套虚拟内存地址,没办法 每个系统多多线程 总要有有有一1个分页表。为了保证查询时延,分页表也会保占据 内存中。分页表有所以 种实现最好的法子,最简单的某种分页表却说把所有的对应关系记录到同有有一1个线性列表中,即如图2中的“对应关系”每项所示。

你你某种单一的连续分页表,时要给每有有一1个虚拟页预留十根记录的位置。但对于任何有有一1个应用系统多多线程 ,其系统多多线程 空间真正用到的地址都相当有限。亲们还记得,系统多多线程 空间会有栈和堆。系统多多线程 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多多线程 空间。这意味,机会使用连续分页表,所以 条目都没办法 真正用到。却说 ,Linux中的分页表,采用了多层的数据形态。多层的分页表不能减少所需的空间。

亲们来看有有一1个冗杂的分页设计,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每项,用单层的分页表记录页编号每项的对应关系。对于多层分页表来说,会进一步分割页编号为有有一1个或更多的每项,却说 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,用有有一1个十六进制数字表示。第二级对应了后12位页编号,用八个十六进制编号。二级表记录有对应的物理页,即保存了真正的分页记录。二级表有所以 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。该记录会我却说知道们,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全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有有一1个小本子上。再用有有一1个上级本子记录区号和各个小本子的对应关系。机会某个区号没办法 使用,没办法 亲们只时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办法 使用,相应的二级表就不时要占据 。正是通过你你某种手段,多层分页表占据 的空间要比单层分页表少了所以 。

多层分页表还有有一1个优势。单层分页表时要占据 于连续的内存空间。而多层分页表的二级表,可不时要散步于内存的不同位置。有有一1个话语,操作系统就可不时要利用零碎空间来存储分页表。还时要注意的是,这里冗杂了多层分页表的所以 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所以 。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法子。在分页的基础上,虚拟内存和物理内存实现了分离,从而让内核深度图参与和监督内存分配。应用系统多多线程 的安全性和稳定性却说 大为提高。

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