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。内存为程序运行开辟出程序运行空间,让程序运行在其中保存数据。我将从内存的物理形状出发,深入到内存管理的细节,一阵一阵是了解虚拟内存和内存分页的概念。

内存

简单地说,内存我希望三个数据货架。内存有三个最小的存储单位,大多数都有三个字节。内存用内存地址(memory address)来为每个字节的数据顺序编号。我希望,内存地址说明了数据在内存中的位置。内存地址从0开始,每次增加1。这种 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”上边跟着的,我希望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3000386型CPU为例,这款CPU有3三个针脚可不还可不可以传输地址信息。每个针脚对应了一位。不可能 针脚上是高电压,这麼这种 位是1。不可能 是低电压,这麼这种 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位地址空间我希望从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,全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,里可不还可不可以 转动带子。不可能 那首歌是第一首,这麼立即就可不还可不可以播放。不可能 那首歌恰巧是最后一首,亲们 快进到可不还可不可以播放的位置就里可不还可不可以 花很长时间。亲们 不可能 知道,程序运行里可不还可不可以 调用内存中不同位置的数据。不可能 数据读取时间和位置相关搞笑的话,计算机就很难把控程序运行的运行时间。我希望,随机读取的形状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程序运行。即使程序运行所需空间超过内存空间,内存空间也可不还可不可以通过少许拓展来弥补。换句话说,内存的存储能力,和计算机运行情况汇报的数据总量相当。内存的缺点是可不还可不可以 持久地保存数据。一旦断电,内存中的数据就会消失。我希望,计算机即使有了内存我希望三个主存储器,还是里可不还可不可以 硬盘我希望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,我希望存储程序运行的相关数据。亲们 过后 不可能 看后过程序运行空间的程序运行段、全局数据、栈和堆,以及哪些地方地方哪些地方地方存储形状在程序运行运行中所起到的关键作用。有趣的是,尽管程序运行和内存的关系这麼紧密,但程序运行并可不还可不可以 直接访问内存。在Linux下,程序运行可不还可不可以 直接读写内存中地址为0x1位置的数据。程序运行中能访问的地址,里可不还可不可以 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。这种 内存管理最好的最好的依据,称为虚拟内存(virtual memory)。

每个程序运行都有此人 的一套虚拟内存地址,用来给此人 的程序运行空间编号。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于,都有为数据提供位置索引。程序运行的虚拟内存地址相互独立。我希望,三个程序运行空间可不还可不可以有相同的虚拟内存地址,如0x3000030000。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

程序运行运行来说对物理内存地址一无所知。它只不可能 通过虚拟内存地址来进行数据读写。程序运行中表达的内存地址,也都有虚拟内存地址。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。不可能 翻译的过程由操作系统全权负责,全都程序运行运行可不还可不可以在全过程中对物理内存地址一无所知。我希望,C程序运行中表达的内存地址,都有虚拟内存地址。比如在C语言中,可不还可不可以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程序运行运行自由访问物理内存地址的权利。程序运行对物理内存的访问,里可不还可不可以 经过操作系统的审查。我希望,掌握着内存对应关系的操作系统,也掌握了程序运行运行访问内存的闸门。借助虚拟内存地址,操作系统可不还可不可以保障程序运行空间的独立性。我希望操作系统把三个程序运行的程序运行空间对应到不同的内存区域,过后三个程序运行空间成为“老死不相往来”的三个小王国。三个程序运行就不会可能 相互篡改对方的数据,程序运行出错的不可能 性就大为减少。

此人 面,有了虚拟内存地址,内存共享也变得简单。操作系统可不还可不可以把同一物理内存区域对应到多个程序运行空间。我希望,可不还可不可以 可不还可不可以 任何的数据克隆qq,多个程序运行就可不还可不可以看后相同的数据。内核和共享库的映射,我希望通过这种 最好的最好的依据进行的。每个程序运行空间中,最初一累积的虚拟内存地址,都对应到物理内存中预留给内核的空间。我希望,所有的程序运行就可不还可不可以共享同一套内核数据。共享库的情况汇报也是之类于。对于任何三个共享库,计算机只里可不还可不可以 往物理内存中加载一次,就可不还可不可以通过操纵对应关系,来让多个程序运行一起使用。IPO中的共享内存,都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,虚拟内存地址不可能 成为必备的设计。这麼,操作系统必里可不还可不可以 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最好的依据,我希望把对应关系记录在一张表中。为了让翻译带宽足够地快,这种 表里可不还可不可以 加载在内存中。不过,这种 记录最好的最好的依据惊人地浪费。不可能 树莓派1GB物理内存的每个字节都有三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。不可能 对应关系的条目众多,搜索到三个对应关系所需的时间也很长。我希望搞笑的话,会让树莓派陷入瘫痪。

我希望,Linux采用了分页(paging)的最好的最好的依据来记录对应关系。所谓的分页,我希望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。不可能 你要获取当前树莓派的内存页大小,可不还可不可以使用命令:

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还可不可以存放4096个字节,即4KB。Linux把物理内存和程序运行空间都分割成页。

内存分页,可不还可不可以极大地减少所要记录的内存对应关系。亲们 不可能 看后,以字节为单位的对应记录我觉得这麼来这麼多。不可能 把物理内存和程序运行空间的地址都分成页,内核只里可不还可不可以 记录页的对应关系,相关的工作量就会大为减少。不可能 每页的大小是每个字节的3000倍。我希望,内存中的总页数我希望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不可能 。

无论是虚拟页,还是物理页,一页之内的地址都有连续的。我希望搞笑的话,三个虚拟页和三个物理页对应起来,页内的数据就可不还可不可以按顺序一一对应。这因为分析,虚拟内存地址和物理内存地址的末尾累积应该删剪相同。大多数情况汇报下,每一页有4096个字节。不可能 4096是2的12次方,全都地址最后12位的对应关系碳酸岩成立。亲们 把地址的这种 累积称为偏移量(offset)。偏移量实际上表达了该字节在页内的位置。地址的前一累积则是页编号。操作系统只里可不还可不可以 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。这种 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。不可能 每个程序运行会有一套虚拟内存地址,这麼每个程序运行后会有三个分页表。为了保证查询带宽,分页表也会保指在内存中。分页表有全都种实现最好的最好的依据,最简单的并都有分页表我希望把所有的对应关系记录到同三个线性列表中,即如图2中的“对应关系”累积所示。

这种 单一的连续分页表,里可不还可不可以 给每三个虚拟页预留第一根记录的位置。但对于任何三个程序运行运行,其程序运行空间真正用到的地址都相当有限。亲们 还记得,程序运行空间会有栈和堆。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程序运行空间。这因为分析,不可能 使用连续分页表,全都条目都这麼真正用到。我希望,Linux中的分页表,采用了多层的数据形状。多层的分页表不能减少所需的空间。

亲们 来看三个复杂的分页设计,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累积,用单层的分页表记录页编号累积的对应关系。对于多层分页表来说,会进一步分割页编号为三个或更多的累积,我希望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,用三个十六进制数字表示。第二级对应了后12位页编号,用三个十六进制编号。二级表记录有对应的物理页,即保存了真正的分页记录。二级表有全都张,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,上边记录的前8位都有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。该记录会我这麼乎 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删剪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三个小本子上。再用三个上级本子记录区号和各个小本子的对应关系。不可能 某个区号这麼使用,这麼亲们 只里可不还可不可以 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,相应的二级表就可不还可不可以 可不还可不可以 指在。正是通过这种 手段,多层分页表指在的空间要比单层分页表少了全都。

多层分页表还有我希望优势。单层分页表里可不还可不可以 指在于连续的内存空间。而多层分页表的二级表,可不还可不可以散步于内存的不同位置。我希望搞笑的话,操作系统就可不还可不可以利用零碎空间来存储分页表。还里可不还可不可以 注意的是,这里复杂了多层分页表的全都细节。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全都。不过,多层分页表的基本原理都有相同。

综上,亲们 了解了内存以页为单位的管理最好的最好的依据。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。程序运行运行的安全性和稳定性我希望大为提高。

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