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。内存为系统进程池池开辟出系统进程池池空间,让系统进程池池在其中保存数据。我将从内存的物理特性出发,深入到内存管理的细节,特别是了解虚拟内存和内存分页的概念。

内存

简单地说,内存否则二个数据货架。内存有二个最小的存储单位,大多数一定会二个字节。内存用内存地址(memory address)来为每个字节的数据顺序编号。否则,内存地址说明了数据在内存中的位置。内存地址从0始于了,每次增加1。四种 线性增加的存储器地址称为线性地址(linear address)。为了方便,大家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,否则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500386型CPU为例,这款CPU有3二个针脚都都后能 传输地址信息。每个针脚对应了一位。可能性针脚上是高电压,这麼 四种 位是1。可能性是低电压,这麼 四种 位是0。32位的电压高低信息通过地址总线传到内存的3二个针脚,内存就能把电压高低信息转再加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位地址空间否则从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,而是存储器的读取时间和数据所在位置有关。就拿磁带来说,大家想听其中的一首歌,这麼 转动带子。可能性那首歌是第一首,这麼 立即就都都后能 播放。可能性那首歌恰巧是最后一首,大家快进到都都后能 播放的位置就这麼 花很长时间。大家可能性知道,系统进程池池这麼 调用内存中不同位置的数据。可能性数据读取时间和位置相关搞笑的话,计算机就好难把控系统进程池池的运行时间。否则,随机读取的特性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进程池池。即使系统进程池池所需空间超过内存空间,内存空间并都都后能 通过大量拓展来弥补。换句话说,内存的存储能力,和计算机运行状况的数据总量相当。内存的缺点是这麼 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从前二个主存储器,还是这麼 硬盘从前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,否则存储系统进程池池的相关数据。大家从前可能性看了过系统进程池池空间的系统进程池池段、全局数据、栈和堆,以及哪此哪此存储特性在系统进程池池运行中所起到的关键作用。有趣的是,尽管系统进程池池和内存的关系这麼 紧密,但系统进程池池从这麼 直接访问内存。在Linux下,系统进程池池这麼 直接读写内存中地址为0x1位置的数据。系统进程池池中能访问的地址,这麼 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。四种 内存管理最好的办法 ,称为虚拟内存(virtual memory)。

每个系统进程池池一定会否则 人的一套虚拟内存地址,用来给否则 人的系统进程池池空间编号。系统进程池池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 ,一定会为数据提供位置索引。系统进程池池的虚拟内存地址相互独立。否则,二个系统进程池池空间都都后能 有相同的虚拟内存地址,如0x5000050000。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。对系统进程池池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

应用系统进程池池来说对物理内存地址一无所知。它只可能性通过虚拟内存地址来进行数据读写。系统进程池池中表达的内存地址,也一定会虚拟内存地址。系统进程池池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。可能性翻译的过程由操作系统全权负责,而是应用系统进程池池都都后能 在全过程中对物理内存地址一无所知。否则,C系统进程池池中表达的内存地址,一定会虚拟内存地址。比如在C语言中,都都后能 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系统进程池池自由访问物理内存地址的权利。系统进程池池对物理内存的访问,这麼 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,也掌握了应用系统进程池池访问内存的闸门。借助虚拟内存地址,操作系统都都后能 保障系统进程池池空间的独立性。倘若操作系统把二个系统进程池池的系统进程池池空间对应到不同的内存区域,以后二个系统进程池池空间成为“老死不相往来”的二个小王国。二个系统进程池池就可能性性相互篡改对方的数据,系统进程池池出错的可能性性就大为减少。

否则 人面,有了虚拟内存地址,内存共享也变得简单。操作系统都都后能 把同一物理内存区域对应到多个系统进程池池空间。从前,不这麼 任何的数据基因重组,多个系统进程池池就都都后能 看了相同的数据。内核和共享库的映射,否则通过四种 最好的办法 进行的。每个系统进程池池空间中,最初一次要的虚拟内存地址,都对应到物理内存中预留给内核的空间。从前,所有的系统进程池池就都都后能 共享同一套内核数据。共享库的状况也是类似于 。对于任何二个共享库,计算机只这麼 往物理内存中加载一次,就都都后能 通过操纵对应关系,来让多个系统进程池池同去使用。IPO中的共享内存,一定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,给系统进程池池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,虚拟内存地址可能性成为必备的设计。这麼 ,操作系统必这麼 考虑清楚,如何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办法 ,否则把对应关系记录在一张表中。为了让翻译速率单位足够地快,四种 表这麼 加载在内存中。不过,四种 记录最好的办法 惊人地浪费。可能性树莓派1GB物理内存的每个字节一定会二个对应记录搞笑的话,这麼 光是对应关系就要远远超过内存的空间。可能性对应关系的条目众多,搜索到二个对应关系所需的时间也很长。从前搞笑的话,会让树莓派陷入瘫痪。

否则,Linux采用了分页(paging)的最好的办法 来记录对应关系。所谓的分页,否则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。可能性我应该 获取当前树莓派的内存页大小,都都后能 使用命令:

得到结果,即内存分页的字节数:

4096

返回的4096代表每个内存页都都后能 存放4096个字节,即4KB。Linux把物理内存和系统进程池池空间都分割成页。

内存分页,都都后能 极大地减少所要记录的内存对应关系。大家可能性看了,以字节为单位的对应记录真是太久。可能性把物理内存和系统进程池池空间的地址都分成页,内核只这麼 记录页的对应关系,相关的工作量就会大为减少。可能性每页的大小是每个字节的5000倍。否则,内存中的总页数否则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性。

无论是虚拟页,还是物理页,一页之内的地址一定会连续的。从前搞笑的话,二个虚拟页和二个物理页对应起来,页内的数据就都都后能 按顺序一一对应。这原因分析分析,虚拟内存地址和物理内存地址的末尾次要应该完正相同。大多数状况下,每一页有4096个字节。可能性4096是2的12次方,而是地址最后12位的对应关系天然成立。大家把地址的四种 次要称为偏移量(offset)。偏移量实际上表达了该字节在页内的位置。地址的前一次要则是页编号。操作系统只这麼 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,在于管理系统进程池池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。四种 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。可能性每个系统进程池池会有一套虚拟内存地址,这麼 每个系统进程池池一定会有二个分页表。为了保证查询速率单位,分页表也会保存在内存中。分页表有而是种实现最好的办法 ,最简单的四种 分页表否则把所有的对应关系记录到同二个线性列表中,即如图2中的“对应关系”次要所示。

四种 单一的连续分页表,这麼 给每二个虚拟页预留三根绳子 记录的位置。但对于任何二个应用系统进程池池,其系统进程池池空间真正用到的地址都相当有限。大家还记得,系统进程池池空间会有栈和堆。系统进程池池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进程池池空间。这原因分析分析,可能性使用连续分页表,而是条目都这麼 真正用到。否则,Linux中的分页表,采用了多层的数据特性。多层的分页表并能减少所需的空间。

大家来看二个多样化的分页设计,用以说明Linux的多层分页表。大家把地址分为了页编号和偏移量两次要,用单层的分页表记录页编号次要的对应关系。对于多层分页表来说,会进一步分割页编号为二个或更多的次要,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,用二个十六进制数字表示。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。二级表有而是张,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位一定会0x00。翻译地址的过程要跨越两级。大家先取地址的前8位,在一级表中找到对应记录。该记录会告诉大家,目标二级表在内存中的位置。大家再在二级表中,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。大家把同一地区的电话号码以及对应的人名记录同通二个小本子上。再用二个上级本子记录区号和各个小本子的对应关系。可能性某个区号这麼 使用,这麼 大家只这麼 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开头的虚拟地址段这麼 使用,相应的二级表就不这麼 存在。正是通过四种 手段,多层分页表存在的空间要比单层分页表少了而是。

多层分页表还有从前优势。单层分页表这麼 存在于连续的内存空间。而多层分页表的二级表,都都后能 散步于内存的不同位置。从前搞笑的话,操作系统就都都后能 利用零碎空间来存储分页表。还这麼 注意的是,这里多样化了多层分页表的而是细节。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而是。不过,多层分页表的基本原理一定会相同。

综上,大家了解了内存以页为单位的管理最好的办法 。在分页的基础上,虚拟内存和物理内存实现了分离,从而让内核角度参与和监督内存分配。应用系统进程池池的安全性和稳定性否则大为提高。

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