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。内存为多多程序运行 开辟出多多程序运行 空间,让多多程序运行 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,很糙是了解虚拟内存和内存分页的概念。

内存

简单地说,内存后来我三个白多 数据货架。内存有三个白多 最小的存储单位,大多数删改后会三个白多 字节。内存用内存地址(memory address)来为每个字节的数据顺序编号。后来 ,内存地址说明了数据在内存中的位置。内存地址从0刚开使,每次增加1。两种线性增加的存储器地址称为线性地址(linear address)。为了方便,大伙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”里面跟着的,后来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我应该 存取数据的地址。以英特尔32位的400386型CPU为例,这款CPU有3三个白多 针脚都时需传输地址信息。每个针脚对应了一位。肯能针脚上是高电压,那末两种位是1。肯能是低电压,那末两种位是0。32位的电压高低信息通过地址总线传到内存的3三个白多 针脚,内存就能把电压高低信息转去掉 32位的二进制数,从而知道CPU我应该 的是哪个位置的数据。用十六进制表示,32位地址空间后来我从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,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,大伙想听其中的一首歌,时需转动带子。肯能那首歌是第一首,那末立即就都时需播放。肯能那首歌恰巧是最后一首,大伙快进到都时需播放的位置就时需花很长时间。大伙肯能知道,多多程序运行 时需调用内存中不同位置的数据。肯能数据读取时间和位置相关句子,计算机就真难把控多多程序运行 的运行时间。后来 ,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多多程序运行 。即使多多程序运行 所需空间超过内存空间,内存空间也都时需通过絮状拓展来弥补。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。内存的缺点是不可利于够持久地保存数据。一旦断电,内存中的数据就会消失。后来 ,计算机即使有了内存另三个白多 三个白多 主存储器,还是时需硬盘另三个白多 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,后来我存储多多程序运行 的相关数据。大伙以前肯能看了很多多程序运行 空间的多多程序运行 段、全局数据、栈和堆,以及那些那些存储底部形态在多多程序运行 运行中所起到的关键作用。有趣的是,尽管多多程序运行 和内存的关系那末紧密,但多多程序运行 无需 能直接访问内存。在Linux下,多多程序运行 不可利于够直接读写内存中地址为0x1位置的数据。多多程序运行 中能访问的地址,不可利于够是虚拟内存地址(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。两种内存管理最好的妙招,称为虚拟内存(virtual memory)。

每个多多程序运行 删改后会个人的一套虚拟内存地址,用来给个人的多多程序运行 空间编号。多多程序运行 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,删改后会为数据提供位置索引。多多程序运行 的虚拟内存地址相互独立。后来 ,三个白多 多多程序运行 空间都时需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。对多多程序运行 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

应用多多程序运行 来说对物理内存地址一无所知。它只肯能通过虚拟内存地址来进行数据读写。多多程序运行 中表达的内存地址,也删改后会虚拟内存地址。多多程序运行 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。肯能翻译的过程由操作系统全权负责,什么都应用多多程序运行 都时需在全过程中对物理内存地址一无所知。后来 ,C多多程序运行 中表达的内存地址,删改后会虚拟内存地址。比如在C语言中,都时需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多多程序运行 自由访问物理内存地址的权利。多多程序运行 对物理内存的访问,时需经过操作系统的审查。后来 ,掌握着内存对应关系的操作系统,也掌握了应用多多程序运行 访问内存的闸门。借助虚拟内存地址,操作系统都时需保障多多程序运行 空间的独立性。后来我操作系统把三个白多 多多程序运行 的多多程序运行 空间对应到不同的内存区域,后来三个白多 多多程序运行 空间成为“老死不相往来”的三个白多 小王国。三个白多 多多程序运行 就不肯能相互篡改对方的数据,多多程序运行 出错的肯能性就大为减少。

个人面,有了虚拟内存地址,内存共享也变得简单。操作系统都时需把同一物理内存区域对应到多个多多程序运行 空间。另三个白多 ,不时需任何的数据克隆qq好友好友,多个多多程序运行 就都时需看了相同的数据。内核和共享库的映射,后来我通过两种最好的妙招进行的。每个多多程序运行 空间中,最初一每段的虚拟内存地址,都对应到物理内存中预留给内核的空间。另三个白多 ,所有的多多程序运行 就都时需共享同一套内核数据。共享库的情況也是之类。对于任何三个白多 共享库,计算机只时需往物理内存中加载一次,就都时需通过操纵对应关系,来让多个多多程序运行 一同使用。IPO中的共享内存,删改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,给多多程序运行 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,虚拟内存地址肯能成为必备的设计。那末,操作系统时需要考虑清楚,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妙招,后来我把对应关系记录在一张表中。为了让翻译时延足够地快,两种表时需加载在内存中。不过,两种记录最好的妙招惊人地浪费。肯能树莓派1GB物理内存的每个字节删改后会三个白多 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。肯能对应关系的条目众多,搜索到三个白多 对应关系所需的时间也很长。另三个白多 句子,会让树莓派陷入瘫痪。

后来 ,Linux采用了分页(paging)的最好的妙招来记录对应关系。所谓的分页,后来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。肯能我应该 获取当前树莓派的内存页大小,都时需使用命令:

得到结果,即内存分页的字节数:

4096

返回的4096代表每个内存页都时需存放4096个字节,即4KB。Linux把物理内存和多多程序运行 空间都分割成页。

内存分页,都时需极大地减少所要记录的内存对应关系。大伙肯能看了,以字节为单位的对应记录确实无需 。肯能把物理内存和多多程序运行 空间的地址都分成页,内核只时需记录页的对应关系,相关的工作量就会大为减少。肯能每页的大小是每个字节的4000倍。后来 ,内存中的总页数后来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肯能。

无论是虚拟页,还是物理页,一页之内的地址删改后会连续的。另三个白多 句子,三个白多 虚拟页和三个白多 物理页对应起来,页内的数据就都时需按顺序一一对应。这因为 ,虚拟内存地址和物理内存地址的末尾每段应该删改相同。大多数情況下,每一页有4096个字节。肯能4096是2的12次方,什么都地址最后12位的对应关系碳酸岩成立。大伙把地址的两种每段称为偏移量(offset)。偏移量实际上表达了该字节在页内的位置。地址的前一每段则是页编号。操作系统只时需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,在于管理多多程序运行 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。两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。肯能每个多多程序运行 会有一套虚拟内存地址,那末每个多多程序运行 后会有三个白多 分页表。为了保证查询时延,分页表也会保处于内存中。分页表有什么都种实现最好的妙招,最简单的有两种分页表后来我把所有的对应关系记录到同三个白多 线性列表中,即如图2中的“对应关系”每段所示。

两种单一的连续分页表,时需给每三个白多 虚拟页预留一根绳子 记录的位置。但对于任何三个白多 应用多多程序运行 ,其多多程序运行 空间真正用到的地址都相当有限。大伙还记得,多多程序运行 空间会有栈和堆。多多程序运行 空间为栈和堆的增长预留了地址,但栈和堆很少会占满多多程序运行 空间。这因为 ,肯能使用连续分页表,什么都条目都那末真正用到。后来 ,Linux中的分页表,采用了多层的数据底部形态。多层的分页表利于减少所需的空间。

大伙来看三个白多 复杂的分页设计,用以说明Linux的多层分页表。大伙把地址分为了页编号和偏移量两每段,用单层的分页表记录页编号每段的对应关系。对于多层分页表来说,会进一步分割页编号为三个白多 或更多的每段,后来 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,用三个白多 十六进制数字表示。第二级对应了后12位页编号,用三个白十六进制编号。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,里面记录的前8位删改后会0x00。翻译地址的过程要跨越两级。大伙先取地址的前8位,在一级表中找到对应记录。该记录会真不知道们,目标二级表在内存中的位置。大伙再在二级表中,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改的电话号码分成区号。大伙把同一地区的电话号码以及对应的人名记录同通三个白多 小本子上。再用三个白多 上级本子记录区号和各个小本子的对应关系。肯能某个区号那末使用,那末大伙只时需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,相应的二级表就不时需处于。正是通过两种手段,多层分页表处于的空间要比单层分页表少了什么都。

多层分页表还有另三个白多 优势。单层分页表时需处于于连续的内存空间。而多层分页表的二级表,都时需散步于内存的不同位置。另三个白多 句子,操作系统就都时需利用零碎空间来存储分页表。还时需注意的是,这里复杂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删改后会相同。

综上,大伙了解了内存以页为单位的管理最好的妙招。在分页的基础上,虚拟内存和物理内存实现了分离,从而让内核时延参与和监督内存分配。应用多多程序运行 的安全性和稳定性后来 大为提高。

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