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。内存为守护程序运行运行开辟出守护程序运行运行空间,让守护程序运行运行在其中保存数据。我将从内存的物理特征出发,深入到内存管理的细节,不得劲是了解虚拟内存和内存分页的概念。

内存

简单地说,内存也不 也不 数据货架。内存有也不 最小的存储单位,大多数全是 也不 字节。内存用内存地址(memory address)来为每个字节的数据顺序编号。怎么能让,内存地址说明了数据在内存中的位置。内存地址从0始于,每次增加1。有一种 线性增加的存储器地址称为线性地址(linear address)。为了方便,许多人 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,也不 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都能能 存取数据的地址。以英特尔32位的3000386型CPU为例,这款CPU有3也不 针脚也能传输地址信息。每个针脚对应了一位。可能性针脚上是高电压,没办法 有一种 位是1。可能性是低电压,没办法 有一种 位是0。32位的电压高低信息通过地址总线传到内存的3也不 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你都能能 的是哪个位置的数据。用十六进制表示,32位地址空间也不 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,许多存储器的读取时间和数据所在位置有关。就拿磁带来说,许多人 想听其中的一首歌,也能转动带子。可能性那首歌是第一首,没办法 立即就也能播放。可能性那首歌恰巧是最后一首,许多人 快进到也能播放的位置就也能花很长时间。许多人 可能性知道,守护程序运行运行也能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话语,计算机就没能把控守护程序运行运行的运行时间。怎么能让,随机读取的特征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守护程序运行运行。即使守护程序运行运行所需空间超过内存空间,内存空间也也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。怎么能让,计算机即使有了内存也不 也不 主存储器,还是也能硬盘也不 的结构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,也不 存储守护程序运行运行的相关数据。许多人 以前可能性看完过守护程序运行运行空间的守护程序运行运行段、全局数据、栈和堆,以及哪几种哪几种存储特征在守护程序运行运行运行中所起到的关键作用。有趣的是,尽管守护程序运行运行和内存的关系没办法 紧密,但守护程序运行运行不须能直接访问内存。在Linux下,守护程序运行运行非要直接读写内存中地址为0x1位置的数据。守护程序运行运行中能访问的地址,非也不 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。有一种 内存管理法律法律依据,称为虚拟内存(virtual memory)。

每个守护程序运行运行全是 个人的一套虚拟内存地址,用来给个人的守护程序运行运行空间编号。守护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似于,全是 为数据提供位置索引。守护程序运行运行的虚拟内存地址相互独立。怎么能让,也不 守护程序运行运行空间也能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。对守护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

应用守护程序运行运行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。守护程序运行运行中表达的内存地址,也全是 虚拟内存地址。守护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。可能性翻译的过程由操作系统全权负责,许多应用守护程序运行运行也能在全过程中对物理内存地址一无所知。怎么能让,C守护程序运行运行中表达的内存地址,全是 虚拟内存地址。比如在C语言中,也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守护程序运行运行自由访问物理内存地址的权利。守护程序运行运行对物理内存的访问,也能经过操作系统的审查。怎么能让,掌握着内存对应关系的操作系统,也掌握了应用守护程序运行运行访问内存的闸门。借助虚拟内存地址,操作系统也能保障守护程序运行运行空间的独立性。也不 操作系统把也不 守护程序运行运行的守护程序运行运行空间对应到不同的内存区域,随后也不 守护程序运行运行空间成为“老死不相往来”的也不 小王国。也不 守护程序运行运行就可能性性相互篡改对方的数据,守护程序运行运行出错的可能性性就大为减少。

个人面,有了虚拟内存地址,内存共享也变得简单。操作系统也能把同一物理内存区域对应到多个守护程序运行运行空间。也不 ,非要任何的数据好友克隆,多个守护程序运行运行就也能看完相同的数据。内核和共享库的映射,也不 通过有一种 法律法律依据进行的。每个守护程序运行运行空间中,最初一主次的虚拟内存地址,都对应到物理内存中预留给内核的空间。也不 ,所有的守护程序运行运行就也能共享同一套内核数据。共享库的状况也是类似于。对于任何也不 共享库,计算机只也能往物理内存中加载一次,就也能通过操纵对应关系,来让多个守护程序运行运行一同使用。IPO中的共享内存,全是 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,给守护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,虚拟内存地址可能性成为必备的设计。没办法 ,操作系统也能要考虑清楚,怎么能能能高效地翻译虚拟内存地址。

记录对应关系最简单的法律法律依据,也不 把对应关系记录在一张表中。为了让翻译波特率单位足够地快,有一种 表也能加载在内存中。不过,有一种 记录法律法律依据惊人地浪费。可能性树莓派1GB物理内存的每个字节全是 也不 对应记录话语,没办法 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,搜索到也不 对应关系所需的时间也很长。也不 话语,会让树莓派陷入瘫痪。

怎么能让,Linux采用了分页(paging)的法律法律依据来记录对应关系。所谓的分页,也不 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。可能性你都能能 获取当前树莓派的内存页大小,也能使用命令:

得到结果,即内存分页的字节数:

4096

返回的4096代表每个内存页也能存放4096个字节,即4KB。Linux把物理内存和守护程序运行运行空间都分割成页。

内存分页,也能极大地减少所要记录的内存对应关系。许多人 可能性看完,以字节为单位的对应记录觉得不不 。可能性把物理内存和守护程序运行运行空间的地址都分成页,内核只也能记录页的对应关系,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3000倍。怎么能让,内存中的总页数也不 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,一页之内的地址全是 连续的。也不 话语,也不 虚拟页和也不 物理页对应起来,页内的数据就也能按顺序一一对应。这由于着,虚拟内存地址和物理内存地址的末尾主次应该全部相同。大多数状况下,每一页有4096个字节。可能性4096是2的12次方,许多地址最后12位的对应关系绿帘石成立。许多人 把地址的有一种 主次称为偏移量(offset)。偏移量实际上表达了该字节在页内的位置。地址的前一主次则是页编号。操作系统只也能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,在于管理守护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。有一种 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。可能性每个守护程序运行运行会有一套虚拟内存地址,没办法 每个守护程序运行运行全是有也不 分页表。为了保证查询波特率单位,分页表也会保存在内存中。分页表有许多种实现法律法律依据,最简单的有一种分页表也不 把所有的对应关系记录到同也不 线性列表中,即如图2中的“对应关系”主次所示。

有一种 单一的连续分页表,也能给每也不 虚拟页预留四根记录的位置。但对于任何也不 应用守护程序运行运行,其守护程序运行运行空间真正用到的地址都相当有限。许多人 还记得,守护程序运行运行空间会有栈和堆。守护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守护程序运行运行空间。这由于着,可能性使用连续分页表,许多条目都没办法 真正用到。怎么能让,Linux中的分页表,采用了多层的数据特征。多层的分页表也能减少所需的空间。

许多人 来看也不 繁杂的分页设计,用以说明Linux的多层分页表。许多人 把地址分为了页编号和偏移量两主次,用单层的分页表记录页编号主次的对应关系。对于多层分页表来说,会进一步分割页编号为也不 或更多的主次,怎么能让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,用也不 十六进制数字表示。第二级对应了后12位页编号,用俩个十六进制编号。二级表记录有对应的物理页,即保存了真正的分页记录。二级表有许多张,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位全是 0x00。翻译地址的过程要跨越两级。许多人 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。许多人 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全部的电话号码分成区号。许多人 把同一地区的电话号码以及对应的人名记录同通也不 小本子上。再用也不 上级本子记录区号和各个小本子的对应关系。可能性某个区号没办法 使用,没办法 许多人 只也能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办法 使用,相应的二级表就非要存在。正是通过有一种 手段,多层分页表存在的空间要比单层分页表少了许多。

多层分页表还有也不 优势。单层分页表也能存在于连续的内存空间。而多层分页表的二级表,也能散步于内存的不同位置。也不 话语,操作系统就也能利用零碎空间来存储分页表。也能注意的是,这里繁杂了多层分页表的许多细节。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许多。不过,多层分页表的基本原理全是 相同。

综上,许多人 了解了内存以页为单位的管理法律法律依据。在分页的基础上,虚拟内存和物理内存实现了分离,从而让内核深度1参与和监督内存分配。应用守护程序运行运行的安全性和稳定性怎么能让大为提高。

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