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。内存为程序池池开辟出程序池池空间,让程序池池在其中保存数据。我将从内存的物理社会形态出发,深入到内存管理的细节,有点硬是了解虚拟内存和内存分页的概念。

内存

简单地说,内存什么都一一个 数据货架。内存有有一一个 最小的存储单位,大多数详细后会有一一个 字节。内存用内存地址(memory address)来为每个字节的数据顺序编号。但会 ,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。例如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,什么都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让你存取数据的地址。以英特尔32位的30386型CPU为例,这款CPU有3有一一个 针脚可不可不可不都可以 传输地址信息。每个针脚对应了一位。但会 针脚上是高电压,那末例如位是1。但会 是低电压,那末例如位是0。32位的电压高低信息通过地址总线传到内存的3有一一个 针脚,内存就能把电压高低信息转打上去32位的二进制数,从而知道CPU我让你的是哪个位置的数据。用十六进制表示,32位地址空间什么都从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,什么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,须要转动带子。但会 那首歌是第一首,那末立即就可不可不可不都可以 播放。但会 那首歌恰巧是最后一首,亲们快进到可不可不可不都可以 播放的位置就须要花很长时间。亲们但会 知道,程序池池须要调用内存中不同位置的数据。但会 数据读取时间和位置相关一句话,计算机就不能自己把控程序池池的运行时间。但会 ,随机读取的社会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程序池池。即使程序池池所需空间超过内存空间,内存空间也可不可不可不都可以 通过一定量拓展来弥补。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。内存的缺点是非要持久地保存数据。一旦断电,内存中的数据就会消失。但会 ,计算机即使有了内存原本有一一个 主存储器,还是须要硬盘原本的内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,什么都存储程序池池的相关数据。亲们我让你但会 想看 过程序池池空间的程序池池段、全局数据、栈和堆,以及哪些哪些存储社会形态在程序池池运行中所起到的关键作用。有趣的是,尽管程序池池和内存的关系那末紧密,但程序池池未必能直接访问内存。在Linux下,程序池池非要直接读写内存中地址为0x1位置的数据。程序池池中能访问的地址,非就让虚拟内存地址(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。例如内存管理办法,称为虚拟内存(virtual memory)。

每个程序池池详细后会买车人的一套虚拟内存地址,用来给买车人的程序池池空间编号。程序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例如,详细后会为数据提供位置索引。程序池池的虚拟内存地址相互独立。但会 ,有一一个 程序池池空间可不可不可不都可以 有相同的虚拟内存地址,如0x3030。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

程序池池来说对物理内存地址一无所知。它只但会 通过虚拟内存地址来进行数据读写。程序池池中表达的内存地址,也详细后会虚拟内存地址。程序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。但会 翻译的过程由操作系统全权负责,什么都程序池池可不可不可不都可以 在全过程中对物理内存地址一无所知。但会 ,C程序池池中表达的内存地址,详细后会虚拟内存地址。比如在C语言中,可不可不可不都可以 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池池自由访问物理内存地址的权利。程序池池对物理内存的访问,须要经过操作系统的审查。但会 ,掌握着内存对应关系的操作系统,也掌握了程序池池访问内存的闸门。借助虚拟内存地址,操作系统可不可不可不都可以 保障程序池池空间的独立性。假如有一天操作系统把有一一个 程序池池的程序池池空间对应到不同的内存区域,我让你有一一个 程序池池空间成为“老死不相往来”的有一一个 小王国。有一一个 程序池池就不但会 相互篡改对方的数据,程序池池出错的但会 性就大为减少。

买车人面,有了虚拟内存地址,内存共享也变得简单。操作系统可不可不可不都可以 把同一物理内存区域对应到多个程序池池空间。原本,不须要任何的数据克隆好友,多个程序池池就可不可不可不都可以 想看 相同的数据。内核和共享库的映射,什么都通过例如办法进行的。每个程序池池空间中,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。原本,所有的程序池池就可不可不可不都可以 共享同一套内核数据。共享库的情况汇报也是例如。对于任何有一一个 共享库,计算机只须要往物理内存中加载一次,就可不可不可不都可以 通过操纵对应关系,来让多个程序池池一并使用。IPO中的共享内存,详细后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,给程序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,虚拟内存地址但会 成为必备的设计。那末,操作系统须要要考虑清楚,如保能高效地翻译虚拟内存地址。

记录对应关系最简单的办法,什么都把对应关系记录在一张表中。为了让翻译带宽足够地快,例如表须要加载在内存中。不过,例如记录办法惊人地浪费。但会 树莓派1GB物理内存的每个字节详细后会有一一个 对应记录一句话,那末光是对应关系就要远远超过内存的空间。但会 对应关系的条目众多,搜索到有一一个 对应关系所需的时间也很长。原本一句话,会让树莓派陷入瘫痪。

但会 ,Linux采用了分页(paging)的办法来记录对应关系。所谓的分页,什么都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。但会 我让你获取当前树莓派的内存页大小,可不可不可不都可以 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可不可不都可以 存放4096个字节,即4KB。Linux把物理内存和程序池池空间都分割成页。

内存分页,可不可不可不都可以 极大地减少所要记录的内存对应关系。亲们但会 想看 ,以字节为单位的对应记录我觉得不用 。但会 把物理内存和程序池池空间的地址都分成页,内核只须要记录页的对应关系,相关的工作量就会大为减少。但会 每页的大小是每个字节的300倍。但会 ,内存中的总页数什么都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但会 。

无论是虚拟页,还是物理页,一页之内的地址详细后会连续的。原本一句话,有一一个 虚拟页和有一一个 物理页对应起来,页内的数据就可不可不可不都可以 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累积应该详细相同。大多数情况汇报下,每一页有4096个字节。但会 4096是2的12次方,什么都地址最后12位的对应关系碳酸岩成立。亲们把地址的例如累积称为偏移量(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。操作系统只须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,在于管理程序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。例如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。但会 每个程序池池会有一套虚拟内存地址,那末每个程序池池后会有有一一个 分页表。为了保证查询带宽,分页表也会保所处内存中。分页表有什么都种实现办法,最简单的例如 分页表什么都把所有的对应关系记录到同有一一个 线性列表中,即如图2中的“对应关系”累积所示。

例如单一的连续分页表,须要给每有一一个 虚拟页预留三根记录的位置。但对于任何有一一个 程序池池,其程序池池空间真正用到的地址都相当有限。亲们还记得,程序池池空间会有栈和堆。程序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程序池池空间。这原因分析分析,但会 使用连续分页表,什么都条目都那末真正用到。但会 ,Linux中的分页表,采用了多层的数据社会形态。多层的分页表都都可不可不可不都可以减少所需的空间。

亲们来看有一一个 繁杂的分页设计,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有一一个 或更多的累积,但会 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,用有一一个 十六进制数字表示。第二级对应了后12位页编号,用兩个十六进制编号。二级表记录有对应的物理页,即保存了真正的分页记录。二级表有什么都张,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位详细后会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。该记录会问亲们,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详细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有一一个 小本子上。再用有一一个 上级本子记录区号和各个小本子的对应关系。但会 某个区号那末使用,那末亲们只须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开头的虚拟地址段那末使用,相应的二级表就不须要所处。正是通过例如手段,多层分页表所处的空间要比单层分页表少了什么都。

多层分页表还有原本优势。单层分页表须要所处于连续的内存空间。而多层分页表的二级表,可不可不可不都可以 散步于内存的不同位置。原本一句话,操作系统就可不可不可不都可以 利用零碎空间来存储分页表。还须要注意的是,这里繁杂了多层分页表的什么都细节。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什么都。不过,多层分页表的基本原理详细后会相同。

综上,亲们了解了内存以页为单位的管理办法。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。程序池池的安全性和稳定性但会 大为提高。

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