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,内存就说 四个数据货架。内存有四个最小的存储单位,大多数就有四个字节。内存用内存地址(memory address)来为每个字节的数据顺序编号。有后后 ,内存地址说明了数据在内存中的位置。内存地址从0就说 刚开始,每次增加1。你什儿 线性增加的存储器地址称为线性地址(linear address)。为了方便,我门都歌词 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,就说 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想要存取数据的地址。以英特尔32位的400386型CPU为例,这款CPU有3四个针脚还都能否 能传输地址信息。每个针脚对应了一位。原因着针脚上是高电压,非要 你什儿 位是1。原因着是低电压,非要 你什儿 位是0。32位的电压高低信息通过地址总线传到内存的3四个针脚,内存就能把电压高低信息转加进32位的二进制数,从而知道CPU想要的是哪个位置的数据。用十六进制表示,32位地址空间就说 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,就说 存储器的读取时间和数据所在位置有关。就拿磁带来说,我门都歌词 想听其中的一首歌,需要转动带子。原因着那首歌是第一首,非要 立即就还都能否 能播放。原因着那首歌恰巧是最后一首,我门都歌词 快进到还都能否 能播放的位置就需要花很长时间。我门都歌词 原因着知道,应用程序需要调用内存中不同位置的数据。原因着数据读取时间和位置相关得话,计算机就真难把控应用程序的运行时间。有后后 ,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程序。即使应用程序所需空间超过内存空间,内存空间还都能否 还都能否 通过絮状拓展来弥补。换句话说,内存的存储能力,和计算机运行情形的数据总量相当。内存的缺点是非要持久地保存数据。一旦断电,内存中的数据就会消失。有后后 ,计算机即使有了内存从前四个主存储器,还是需要硬盘从前的内部管理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,就说 存储应用程序的相关数据。我门都歌词 就说 原因着都看过应用程序空间的应用程序段、全局数据、栈和堆,以及哪些地方地方哪些地方地方存储底部形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非要 紧密,但应用程序暂且能直接访问内存。在Linux下,应用程序非要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,非就说 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。你什儿 内存管理法律最好的办法 ,称为虚拟内存(virtual memory)。

每个应用程序就有你什儿 人的一套虚拟内存地址,用来给你什儿 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事,就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。有后后 ,四个应用程序空间还都能否 能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。它只原因着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,就说 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。原因着翻译的过程由操作系统全权负责,就说 应用应用程序还都能否 能在全过程中对物理内存地址一无所知。有后后 ,C应用程序中表达的内存地址,就有虚拟内存地址。比如在C语言中,还都能否 能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,需要经过操作系统的审查。有后后 ,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,操作系统还都能否 能保障应用程序空间的独立性。我希望操作系统把四个应用程序的应用程序空间对应到不同的内存区域,就说 四个应用程序空间成为“老死不相往来”的四个小王国。四个应用程序就不原因着相互篡改对方的数据,应用程序出错的原因着性就大为减少。

你什儿 人面,有了虚拟内存地址,内存共享也变得简单。操作系统还都能否 能把同一物理内存区域对应到多个应用程序空间。从前,需要任何的数据复制,多个应用程序就还都能否 能都看相同的数据。内核和共享库的映射,就说 通过你什儿 法律最好的办法 进行的。每个应用程序空间中,最初一要素的虚拟内存地址,都对应到物理内存中预留给内核的空间。从前,所有的应用程序就还都能否 能共享同一套内核数据。共享库的情形也是类事。对于任何四个共享库,计算机只需要往物理内存中加载一次,就还都能否 能通过操纵对应关系,来让多个应用程序一同使用。IPO中的共享内存,就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,虚拟内存地址原因着成为必备的设计。非要 ,操作系统需要要考虑清楚,何如能高效地翻译虚拟内存地址。

记录对应关系最简单的法律最好的办法 ,就说 把对应关系记录在一张表中。为了让翻译传输传输速率足够地快,你什儿 表需要加载在内存中。不过,你什儿 记录法律最好的办法 惊人地浪费。原因着树莓派1GB物理内存的每个字节就有四个对应记录得话,非要 光是对应关系就要远远超过内存的空间。原因着对应关系的条目众多,搜索到四个对应关系所需的时间也很长。从前得话,会让树莓派陷入瘫痪。

有后后 ,Linux采用了分页(paging)的法律最好的办法 来记录对应关系。所谓的分页,就说 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。原因着想要获取当前树莓派的内存页大小,还都能否 能使用命令:

得到结果,即内存分页的字节数:

4096

返回的4096代表每个内存页还都能否 能存放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,还都能否 能极大地减少所要记录的内存对应关系。我门都歌词 原因着都看,以字节为单位的对应记录觉得不要 。原因着把物理内存和应用程序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。原因着每页的大小是每个字节的4000倍。有后后 ,内存中的总页数就说 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原因着。

无论是虚拟页,还是物理页,一页之内的地址就有连续的。从前得话,四个虚拟页和四个物理页对应起来,页内的数据就还都能否 能按顺序一一对应。这原因着,虚拟内存地址和物理内存地址的末尾要素应该完正相同。大多数情形下,每一页有4096个字节。原因着4096是2的12次方,就说 地址最后12位的对应关系火山玻璃成立。我门都歌词 把地址的你什儿 要素称为偏移量(offset)。偏移量实际上表达了该字节在页内的位置。地址的前一要素则是页编号。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。你什儿 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。原因着每个应用程序会有一套虚拟内存地址,非要 每个应用程序总要有四个分页表。为了保证查询传输传输速率,分页表也会保处在内存中。分页表有就说 种实现法律最好的办法 ,最简单的有四种 分页表就说 把所有的对应关系记录到同四个线性列表中,即如图2中的“对应关系”要素所示。

你什儿 单一的连续分页表,需要给每四个虚拟页预留一根记录的位置。但对于任何四个应用应用程序,其应用程序空间真正用到的地址都相当有限。我门都歌词 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。这原因着,原因着使用连续分页表,就说 条目都非要 真正用到。有后后 ,Linux中的分页表,采用了多层的数据底部形态。多层的分页表还都能否 减少所需的空间。

我门都歌词 来看四个复杂的分页设计,用以说明Linux的多层分页表。我门都歌词 把地址分为了页编号和偏移量两要素,用单层的分页表记录页编号要素的对应关系。对于多层分页表来说,会进一步分割页编号为四个或更多的要素,有后后 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,用四个十六进制数字表示。第二级对应了后12位页编号,用四个十六进制编号。二级表记录有对应的物理页,即保存了真正的分页记录。二级表有就说 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位就有0x00。翻译地址的过程要跨越两级。我门都歌词 先取地址的前8位,在一级表中找到对应记录。该记录会我想知道们,目标二级表在内存中的位置。我门都歌词 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正的电话号码分成区号。我门都歌词 把同一地区的电话号码以及对应的人名记录同通四个小本子上。再用四个上级本子记录区号和各个小本子的对应关系。原因着某个区号非要 使用,非要 我门都歌词 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开头的虚拟地址段非要 使用,相应的二级表就需要处在。正是通过你什儿 手段,多层分页表处在的空间要比单层分页表少了就说 。

多层分页表还有从前优势。单层分页表需要处在于连续的内存空间。而多层分页表的二级表,还都能否 能散步于内存的不同位置。从前得话,操作系统就还都能否 能利用零碎空间来存储分页表。还需要注意的是,这里复杂了多层分页表的就说 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就说 。不过,多层分页表的基本原理就有相同。

综上,我门都歌词 了解了内存以页为单位的管理法律最好的办法 。在分页的基础上,虚拟内存和物理内存实现了分离,从而让内核宽度参与和监督内存分配。应用应用程序的安全性和稳定性有后后 大为提高。

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