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。内存为应用应用线程池池开辟出应用应用线程池池空间,让应用应用线程池池在其中保存数据。我将从内存的物理特征出发,深入到内存管理的细节,不怎么是了解虚拟内存和内存分页的概念。

内存

简单地说,内存同类同类我一一另一个多多数据货架。内存有一一另一个多多最小的存储单位,大多数也有一一另一个多多字节。内存用内存地址(memory address)来为每个字节的数据顺序编号。有过后,内存地址说明了数据在内存中的位置。内存地址从0结速英文,每次增加1。同类线性增加的存储器地址称为线性地址(linear address)。为了方便,大伙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,同类同类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要存取数据的地址。以英特尔32位的30386型CPU为例,这款CPU有3一一另一个多多针脚都能不能 传输地址信息。每个针脚对应了一位。因为针脚上是高电压,如此同类位是1。因为是低电压,如此同类位是0。32位的电压高低信息通过地址总线传到内存的3一一另一个多多针脚,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位地址空间同类同类我从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,同类同类存储器的读取时间和数据所在位置有关。就拿磁带来说,大伙想听其中的一首歌,都能不能 转动带子。因为那首歌是第一首,如此立即就都能不能 播放。因为那首歌恰巧是最后一首,大伙快进到都能不能 播放的位置就都能不能 花很长时间。大伙因为知道,应用应用线程池池都能不能 调用内存中不同位置的数据。因为数据读取时间和位置相关语录,计算机就先要把控应用应用线程池池的运行时间。有过后,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应用应用线程池池。即使应用应用线程池池所需空间超过内存空间,内存空间也都能不能 通过一定量拓展来弥补。换句话说,内存的存储能力,和计算机运行清况 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。有过后,计算机即使有了内存另一一另一个多多一一另一个多多主存储器,还是都能不能 硬盘另一一另一个多多的内部内部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,同类同类我存储应用应用线程池池的相关数据。大伙前一天因为看后过应用应用线程池池空间的应用线程池池段、全局数据、栈和堆,以及什么什么存储特征在应用应用应用线程池池中所起到的关键作用。有趣的是,尽管应用应用线程池池和内存的关系如此紧密,但应用应用线程池池无须能直接访问内存。在Linux下,应用应用线程池池非要直接读写内存中地址为0x1位置的数据。应用应用线程池池中能访问的地址,非只是我虚拟内存地址(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。同类内存管理土法律依据 ,称为虚拟内存(virtual memory)。

每个应用应用线程池池也有此人 的一套虚拟内存地址,用来给此人 的应用应用线程池池空间编号。应用应用线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同类,也有为数据提供位置索引。应用应用线程池池的虚拟内存地址相互独立。有过后,一一另一个多多应用应用线程池池空间都能不能 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。对应用应用线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

应用应用线程池池来说对物理内存地址一无所知。它只因为通过虚拟内存地址来进行数据读写。应用线程池池中表达的内存地址,也也有虚拟内存地址。应用应用线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。因为翻译的过程由操作系统全权负责,同类同类应用应用线程池池都能不能 在全过程中对物理内存地址一无所知。有过后,C应用线程池池中表达的内存地址,也有虚拟内存地址。比如在C语言中,都能不能 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应用线程池池自由访问物理内存地址的权利。应用应用线程池池对物理内存的访问,都能不能 经过操作系统的审查。有过后,掌握着内存对应关系的操作系统,也掌握了应用应用线程池池访问内存的闸门。借助虚拟内存地址,操作系统都能不能 保障应用应用线程池池空间的独立性。有过后我操作系统把一一另一个多多应用应用线程池池的应用应用线程池池空间对应到不同的内存区域,过后一一另一个多多应用应用线程池池空间成为“老死不相往来”的一一另一个多多小王国。一一另一个多多应用应用线程池池就不因为相互篡改对方的数据,应用应用线程池池出错的因为性就大为减少。

此人 面,有了虚拟内存地址,内存共享也变得简单。操作系统都能不能 把同一物理内存区域对应到多个应用应用线程池池空间。另一一另一个多多,非要任何的数据一键复制,多个应用应用线程池池就都能不能 看后相同的数据。内核和共享库的映射,同类同类我通过同类土法律依据 进行的。每个应用应用线程池池空间中,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。另一一另一个多多,所有的应用应用线程池池就都能不能 共享同一套内核数据。共享库的清况 也是同类。对于任何一一另一个多多共享库,计算机只都能不能 往物理内存中加载一次,就都能不能 通过操纵对应关系,来让多个应用应用线程池池同時 使用。IPO中的共享内存,也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,给应用应用线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,虚拟内存地址因为成为必备的设计。如此,操作系统都能不能 要考虑清楚,怎么高效地翻译虚拟内存地址。

记录对应关系最简单的土法律依据 ,同类同类我把对应关系记录在一张表中。为了让翻译数率足够地快,同类表都能不能 加载在内存中。不过,同类记录土法律依据 惊人地浪费。因为树莓派1GB物理内存的每个字节也有一一另一个多多对应记录语录,如此光是对应关系就要远远超过内存的空间。因为对应关系的条目众多,搜索到一一另一个多多对应关系所需的时间也很长。另一一另一个多多语录,会让树莓派陷入瘫痪。

有过后,Linux采用了分页(paging)的土法律依据 来记录对应关系。所谓的分页,同类同类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。因为你要获取当前树莓派的内存页大小,都能不能 使用命令:

得到结果,即内存分页的字节数:

4096

返回的4096代表每个内存页都能不能 存放4096个字节,即4KB。Linux把物理内存和应用应用线程池池空间都分割成页。

内存分页,都能不能 极大地减少所要记录的内存对应关系。大伙因为看后,以字节为单位的对应记录觉得 不多。因为把物理内存和应用应用线程池池空间的地址都分成页,内核只都能不能 记录页的对应关系,相关的工作量就会大为减少。因为每页的大小是每个字节的300倍。有过后,内存中的总页数同类同类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因为。

无论是虚拟页,还是物理页,一页之内的地址也有连续的。另一一另一个多多语录,一一另一个多多虚拟页和一一另一个多多物理页对应起来,页内的数据就都能不能 按顺序一一对应。这因为,虚拟内存地址和物理内存地址的末尾主次应该完全相同。大多数清况 下,每一页有4096个字节。因为4096是2的12次方,同类同类地址最后12位的对应关系天然成立。大伙把地址的同类主次称为偏移量(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。操作系统只都能不能 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,在于管理应用应用线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。同类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。因为每个应用应用线程池池会有一套虚拟内存地址,如此每个应用应用线程池池都会有一一另一个多多分页表。为了保证查询数率,分页表也会保指在内存中。分页表有同类同类种生活实现土法律依据 ,最简单的一种生活分页表同类同类我把所有的对应关系记录到同一一另一个多多线性列表中,即如图2中的“对应关系”主次所示。

同类单一的连续分页表,都能不能 给每一一另一个多多虚拟页预留根小记录的位置。但对于任何一一另一个多多应用应用应用线程池池,其应用应用线程池池空间真正用到的地址都相当有限。大伙还记得,应用应用线程池池空间会有栈和堆。应用应用线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应用应用线程池池空间。这因为,因为使用连续分页表,同类同类条目都如此真正用到。有过后,Linux中的分页表,采用了多层的数据特征。多层的分页表都能不能 减少所需的空间。

大伙来看一一另一个多多比较复杂的分页设计,用以说明Linux的多层分页表。大伙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一一另一个多多或更多的主次,有过后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,用一一另一个多多十六进制数字表示。第二级对应了后12位页编号,用另一个十六进制编号。二级表记录有对应的物理页,即保存了真正的分页记录。二级表有同类同类张,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位也有0x00。翻译地址的过程要跨越两级。大伙先取地址的前8位,在一级表中找到对应记录。该记录会谁能告诉大伙,目标二级表在内存中的位置。大伙再在二级表中,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全的电话号码分成区号。大伙把同一地区的电话号码以及对应的人名记录同通一一另一个多多小本子上。再用一一另一个多多上级本子记录区号和各个小本子的对应关系。因为某个区号如此使用,如此大伙只都能不能 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开头的虚拟地址段如此使用,相应的二级表就非要指在。正是通过同类手段,多层分页表指在的空间要比单层分页表少了同类同类。

多层分页表还有另一一另一个多多优势。单层分页表都能不能 指在于连续的内存空间。而多层分页表的二级表,都能不能 散步于内存的不同位置。另一一另一个多多语录,操作系统就都能不能 利用零碎空间来存储分页表。还都能不能 注意的是,这里比较复杂了多层分页表的同类同类细节。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同类同类。不过,多层分页表的基本原理也有相同。

综上,大伙了解了内存以页为单位的管理土法律依据 。在分页的基础上,虚拟内存和物理内存实现了分离,从而让内核宽度参与和监督内存分配。应用应用应用线程池池的安全性和稳定性有过后大为提高。

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