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。内存为系统tcp连接开辟出系统tcp连接空间,让系统tcp连接在其中保存数据。我将从内存的物理内部人员出发,深入到内存管理的细节,不咋样是了解虚拟内存和内存分页的概念。

内存

简单地说,内存却说4个 多数据货架。内存4个 多多最小的存储单位,大多数都有4个 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。或者,内存地址说明了数据在内存中的位置。内存地址从0开使,每次增加1。你這個线性增加的存储器地址称为线性地址(linear address)。为了方便,亲戚大伙 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”里边跟着的,却说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应该 存取数据的地址。以英特尔32位的1000386型CPU为例,这款CPU有34个 多针脚可都能不能不能传输地址信息。每个针脚对应了一位。肯能针脚上是高电压,如此你這個位是1。肯能是低电压,如此你這個位是0。32位的电压高低信息通过地址总线传到内存的34个 多针脚,内存就能把电压高低信息转加在32位的二进制数,从而知道CPU我应该 的是哪个位置的数据。用十六进制表示,32位地址空间却说从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,却说存储器的读取时间和数据所在位置有关。就拿磁带来说,亲戚大伙 想听其中的一首歌,需要转动带子。肯能那首歌是第一首,如此立即就可都能不能不能播放。肯能那首歌恰巧是最后一首,亲戚大伙 快进到可都能不能不能播放的位置就需要花很长时间。亲戚大伙 肯能知道,系统tcp连接需要调用内存中不同位置的数据。肯能数据读取时间和位置相关语录,计算机就如此把控系统tcp连接的运行时间。或者,随机读取的内部人员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系统tcp连接。即使系统tcp连接所需空间超过内存空间,内存空间也可都能不能不能通过一定量拓展来弥补。换句话说,内存的存储能力,和计算机运行请况的数据总量相当。内存的缺点是都能不能持久地保存数据。一旦断电,内存中的数据就会消失。或者,计算机即使有了内存却说4个 多主存储器,还是需要硬盘却说的内部人员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,却说存储系统tcp连接的相关数据。亲戚大伙 事先肯能看得人过系统tcp连接空间的系统tcp连接段、全局数据、栈和堆,以及哪多少哪多少存储内部人员在系统tcp连接运行中所起到的关键作用。有趣的是,尽管系统tcp连接和内存的关系如此紧密,但系统tcp连接并非能直接访问内存。在Linux下,系统tcp连接都能不能直接读写内存中地址为0x1位置的数据。系统tcp连接中能访问的地址,都能不能是虚拟内存地址(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。你這個内存管理土妙招 ,称为虚拟内存(virtual memory)。

每个系统tcp连接都有当事人的一套虚拟内存地址,用来给当事人的系统tcp连接空间编号。系统tcp连接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相似,都有为数据提供位置索引。系统tcp连接的虚拟内存地址相互独立。或者,4个 多系统tcp连接空间可都能不能不能有相同的虚拟内存地址,如0x1000010000。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。对系统tcp连接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

应用系统tcp连接来说对物理内存地址一无所知。它只肯能通过虚拟内存地址来进行数据读写。系统tcp连接中表达的内存地址,也都有虚拟内存地址。系统tcp连接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。肯能翻译的过程由操作系统全权负责,却说应用系统tcp连接可都能不能不能在全过程中对物理内存地址一无所知。或者,C系统tcp连接中表达的内存地址,都有虚拟内存地址。比如在C语言中,可都能不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系统tcp连接自由访问物理内存地址的权利。系统tcp连接对物理内存的访问,需要经过操作系统的审查。或者,掌握着内存对应关系的操作系统,也掌握了应用系统tcp连接访问内存的闸门。借助虚拟内存地址,操作系统可都能不能不能保障系统tcp连接空间的独立性。或者我操作系统把4个 多系统tcp连接的系统tcp连接空间对应到不同的内存区域,之后 4个 多系统tcp连接空间成为“老死不相往来”的4个 多小王国。4个 多系统tcp连接就不肯能相互篡改对方的数据,系统tcp连接出错的肯能性就大为减少。

当事人面,有了虚拟内存地址,内存共享也变得简单。操作系统可都能不能不能把同一物理内存区域对应到多个系统tcp连接空间。却说,需要任何的数据复制,多个系统tcp连接就可都能不能不能看得人相同的数据。内核和共享库的映射,却说通过你這個土妙招 进行的。每个系统tcp连接空间中,最初一次要的虚拟内存地址,都对应到物理内存中预留给内核的空间。却说,所有的系统tcp连接就可都能不能不能共享同一套内核数据。共享库的请况也是相似。对于任何4个 多共享库,计算机只需要往物理内存中加载一次,就可都能不能不能通过操纵对应关系,来让多个系统tcp连接一起去使用。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,给系统tcp连接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,虚拟内存地址肯能成为必备的设计。如此,操作系统需要要考虑清楚,咋样能高效地翻译虚拟内存地址。

记录对应关系最简单的土妙招 ,却说把对应关系记录在一张表中。为了让翻译下行数率 足够地快,你這個表需要加载在内存中。不过,你這個记录土妙招 惊人地浪费。肯能树莓派1GB物理内存的每个字节都4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。肯能对应关系的条目众多,搜索到4个 多对应关系所需的时间也很长。却说语录,会让树莓派陷入瘫痪。

或者,Linux采用了分页(paging)的土妙招 来记录对应关系。所谓的分页,却说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。肯能我应该 获取当前树莓派的内存页大小,可都能不能不能使用命令:

得到结果,即内存分页的字节数:

4096

返回的4096代表每个内存页可都能不能不能存放4096个字节,即4KB。Linux把物理内存和系统tcp连接空间都分割成页。

内存分页,可都能不能不能极大地减少所要记录的内存对应关系。亲戚大伙 肯能看得人,以字节为单位的对应记录真是过多。肯能把物理内存和系统tcp连接空间的地址都分成页,内核只需要记录页的对应关系,相关的工作量就会大为减少。肯能每页的大小是每个字节的10000倍。或者,内存中的总页数却说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肯能。

无论是虚拟页,还是物理页,一页之内的地址都有连续的。却说语录,4个 多虚拟页和4个 多物理页对应起来,页内的数据就可都能不能不能按顺序一一对应。这愿因,虚拟内存地址和物理内存地址的末尾次要应该完整篇 相同。大多数请况下,每一页有4096个字节。肯能4096是2的12次方,却说地址最后12位的对应关系天然冰成立。亲戚大伙 把地址的你這個次要称为偏移量(offset)。偏移量实际上表达了该字节在页内的位置。地址的前一次要则是页编号。操作系统只需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,在于管理系统tcp连接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。你這個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。肯能每个系统tcp连接会有一套虚拟内存地址,如此每个系统tcp连接都有4个 多多分页表。为了保证查询下行数率 ,分页表也会保地处内存中。分页表有却说种实现土妙招 ,最简单的两种分页表却说把所有的对应关系记录到同4个 多线性列表中,即如图2中的“对应关系”次要所示。

你這個单一的连续分页表,需要给每4个 多虚拟页预留根小绳子 记录的位置。但对于任何4个 多应用系统tcp连接,其系统tcp连接空间真正用到的地址都相当有限。亲戚大伙 还记得,系统tcp连接空间会有栈和堆。系统tcp连接空间为栈和堆的增长预留了地址,但栈和堆很少会占满系统tcp连接空间。这愿因,肯能使用连续分页表,却说条目都如此真正用到。或者,Linux中的分页表,采用了多层的数据内部人员。多层的分页表都能不能减少所需的空间。

亲戚大伙 来看4个 多繁复的分页设计,用以说明Linux的多层分页表。亲戚大伙 把地址分为了页编号和偏移量两次要,用单层的分页表记录页编号次要的对应关系。对于多层分页表来说,会进一步分割页编号为4个 多或更多的次要,或者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4个 多十六进制数字表示。第二级对应了后12位页编号,用五个十六进制编号。二级表记录有对应的物理页,即保存了真正的分页记录。二级表有却说张,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,里边记录的前8位都有0x00。翻译地址的过程要跨越两级。亲戚大伙 先取地址的前8位,在一级表中找到对应记录。该记录会谁能告诉亲戚大伙 ,目标二级表在内存中的位置。亲戚大伙 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整篇 的电话号码分成区号。亲戚大伙 把同一地区的电话号码以及对应的人名记录同通4个 多小本子上。再用4个 多上级本子记录区号和各个小本子的对应关系。肯能某个区号如此使用,如此亲戚大伙 只需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开头的虚拟地址段如此使用,相应的二级表就需要地处。正是通过你這個手段,多层分页表地处的空间要比单层分页表少了却说。

多层分页表还有却说优势。单层分页表需要地处于连续的内存空间。而多层分页表的二级表,可都能不能不能散步于内存的不同位置。却说语录,操作系统就可都能不能不能利用零碎空间来存储分页表。还需要注意的是,这里繁复了多层分页表的却说细节。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却说。不过,多层分页表的基本原理都有相同。

综上,亲戚大伙 了解了内存以页为单位的管理土妙招 。在分页的基础上,虚拟内存和物理内存实现了分离,从而让内核深度参与和监督内存分配。应用系统tcp连接的安全性和稳定性或者大为提高。

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