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

内存

简单地说,内存全都我十几次 数据货架。内存有十几次 最小的存储单位,大多数有的是 十几次 字节。内存用内存地址(memory address)来为每个字节的数据顺序编号。若果,内存地址说明了数据在内存中的位置。内存地址从0之前 始于,每次增加1。有些线性增加的存储器地址称为线性地址(linear address)。为了方便,当当当我们 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”中间跟着的,全都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你会存取数据的地址。以英特尔32位的200386型CPU为例,这款CPU有3十几次 针脚都并能传输地址信息。每个针脚对应了一位。若果针脚上是高电压,没有有些位是1。若果是低电压,没有有些位是0。32位的电压高低信息通过地址总线传到内存的3十几次 针脚,内存就能把电压高低信息转换成32位的二进制数,从而知道CPU你会的是哪个位置的数据。用十六进制表示,32位地址空间全都我从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,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,当当当我们 想听其中的一首歌,需用转动带子。若果那首歌是第一首,没有立即就都并能播放。若果那首歌恰巧是最后一首,当当当我们 快进到都并能播放的位置就需用花很长时间。当当当我们 若果知道,程序运行运行需用调用内存中不同位置的数据。若果数据读取时间和位置相关得话,计算机就不难 把控程序运行运行的运行时间。若果,随机读取的形态学 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运行。即使程序运行运行所需空间超过内存空间,内存空间也都并能通过小量拓展来弥补。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。内存的缺点是非要持久地保存数据。一旦断电,内存中的数据就会消失。若果,计算机即使有了内存从前十几次 主存储器,还是需用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,全都我存储程序运行运行的相关数据。当当当我们 事先若果看过过程序运行运行空间的程序运行运行段、全局数据、栈和堆,以及那此那此存储形态学 在程序运行运行运行中所起到的关键作用。有趣的是,尽管程序运行运行和内存的关系没有紧密,但程序运行运行并非能直接访问内存。在Linux下,程序运行运行非要直接读写内存中地址为0x1位置的数据。程序运行运行中能访问的地址,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。有些内存管理方法,称为虚拟内存(virtual memory)。

每个程序运行运行有的是 自己的一套虚拟内存地址,用来给自己的程序运行运行空间编号。程序运行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类事,有的是 为数据提供位置索引。程序运行运行的虚拟内存地址相互独立。若果,十几次 程序运行运行空间都并能有相同的虚拟内存地址,如0x20002000。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

程序运行运行运行来说对物理内存地址一无所知。它只若果通过虚拟内存地址来进行数据读写。程序运行运行中表达的内存地址,有的是的是 虚拟内存地址。程序运行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。若果翻译的过程由操作系统全权负责,全都程序运行运行运行都并能在全过程中对物理内存地址一无所知。若果,C程序运行运行中表达的内存地址,有的是 虚拟内存地址。比如在C语言中,都并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程序运行运行运行自由访问物理内存地址的权利。程序运行运行对物理内存的访问,需用经过操作系统的审查。若果,掌握着内存对应关系的操作系统,也掌握了程序运行运行运行访问内存的闸门。借助虚拟内存地址,操作系统都并能保障程序运行运行空间的独立性。若果操作系统把十几次 程序运行运行的程序运行运行空间对应到不同的内存区域,你会十几次 程序运行运行空间成为“老死不相往来”的十几次 小王国。十几次 程序运行运行就不若果相互篡改对方的数据,程序运行运行出错的若果性就大为减少。

自己面,有了虚拟内存地址,内存共享也变得简单。操作系统都并能把同一物理内存区域对应到多个程序运行运行空间。从前,不需用任何的数据好友克隆,多个程序运行运行就都并能看过相同的数据。内核和共享库的映射,全都我通过有些方法进行的。每个程序运行运行空间中,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。从前,所有的程序运行运行就都并能共享同一套内核数据。共享库的状况也是类事。对于任何十几次 共享库,计算机只需用往物理内存中加载一次,就都并能通过操纵对应关系,来让多个程序运行运行同时使用。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,给程序运行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,虚拟内存地址若果成为必备的设计。没有,操作系统需用要考虑清楚,咋样能高效地翻译虚拟内存地址。

记录对应关系最简单的方法,全都我把对应关系记录在一张表中。为了让翻译下行强度 足够地快,有些表需用加载在内存中。不过,有些记录方法惊人地浪费。若果树莓派1GB物理内存的每个字节有的是 十几次 对应记录得话,没有光是对应关系就要远远超过内存的空间。若果对应关系的条目众多,搜索到十几次 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。

若果,Linux采用了分页(paging)的方法来记录对应关系。所谓的分页,全都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。若果你会获取当前树莓派的内存页大小,都并能使用命令:

得到结果,即内存分页的字节数:

4096

返回的4096代表每个内存页都并能存放4096个字节,即4KB。Linux把物理内存和程序运行运行空间都分割成页。

内存分页,都并能极大地减少所要记录的内存对应关系。当当当我们 若果看过,以字节为单位的对应记录真是太久再 。若果把物理内存和程序运行运行空间的地址都分成页,内核只需用记录页的对应关系,相关的工作量就会大为减少。若果每页的大小是每个字节的2000倍。若果,内存中的总页数全都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若果。

无论是虚拟页,还是物理页,一页之内的地址有的是 连续的。从前得话,十几次 虚拟页和十几次 物理页对应起来,页内的数据就都并能按顺序一一对应。这由于,虚拟内存地址和物理内存地址的末尾每项应该完整性相同。大多数状况下,每一页有4096个字节。若果4096是2的12次方,全都地址最后12位的对应关系盐晶 成立。当当当我们 把地址的有些每项称为偏移量(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。操作系统只需用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。有些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。若果每个程序运行运行会有一套虚拟内存地址,没有每个程序运行运行有的是有十几次 分页表。为了保证查询下行强度 ,分页表也会保指在内存中。分页表有全都种实现方法,最简单的本身分页表全都我把所有的对应关系记录到同十几次 线性列表中,即如图2中的“对应关系”每项所示。

有些单一的连续分页表,需用给每十几次 虚拟页预留一条记录的位置。但对于任何十几次 程序运行运行运行,其程序运行运行空间真正用到的地址都相当有限。当当当我们 还记得,程序运行运行空间会有栈和堆。程序运行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运行空间。这由于,若果使用连续分页表,全都条目都没有真正用到。若果,Linux中的分页表,采用了多层的数据形态学 。多层的分页表并能减少所需的空间。

当当当我们 来看十几次 繁复的分页设计,用以说明Linux的多层分页表。当当当我们 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十几次 或更多的每项,若果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,用十几次 十六进制数字表示。第二级对应了后12位页编号,用5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,中间记录的前8位有的是 0x00。翻译地址的过程要跨越两级。当当当我们 先取地址的前8位,在一级表中找到对应记录。该记录会告诉当当当我们 ,目标二级表在内存中的位置。当当当我们 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整性的电话号码分成区号。当当当我们 把同一地区的电话号码以及对应的人名记录同通十几次 小本子上。再用十几次 上级本子记录区号和各个小本子的对应关系。若果某个区号没有使用,没有当当当我们 只需用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有使用,相应的二级表就不需用指在。正是通过有些手段,多层分页表指在的空间要比单层分页表少了全都。

多层分页表还有从前优势。单层分页表需用指在于连续的内存空间。而多层分页表的二级表,都并能散步于内存的不同位置。从前得话,操作系统就都并能利用零碎空间来存储分页表。还需用注意的是,这里繁复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有的是 相同。

综上,当当当我们 了解了内存以页为单位的管理方法。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。程序运行运行运行的安全性和稳定性若果大为提高。

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