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。内存为线程池池池开辟出线程池池池空间,让线程池池池在其中保存数据。我将从内存的物理形态出发,深入到内存管理的细节,很糙是了解虚拟内存和内存分页的概念。

内存

简单地说,内存可是我六个 数据货架。内存六个 最小的存储单位,大多数不是六个 字节。内存用内存地址(memory address)来为每个字节的数据顺序编号。时候,内存地址说明了数据在内存中的位置。内存地址从0现在刚结束,每次增加1。四种 线性增加的存储器地址称为线性地址(linear address)。为了方便,亲戚当当让我们当当让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”里边跟着的,可是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我想要存取数据的地址。以英特尔32位的80386型CPU为例,这款CPU有3六个 针脚要能 传输地址信息。每个针脚对应了一位。将会针脚上是高电压,没法四种 位是1。将会是低电压,没法四种 位是0。32位的电压高低信息通过地址总线传到内存的3六个 针脚,内存就能把电压高低信息转添加32位的二进制数,从而知道CPU我想要的是哪个位置的数据。用十六进制表示,32位地址空间可是我从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,好多好多 有存储器的读取时间和数据所在位置有关。就拿磁带来说,亲戚当当让我们当当让我们想听其中的一首歌,需用转动带子。将会那首歌是第一首,没法立即就要能 播放。将会那首歌恰巧是最后一首,亲戚当当让我们当当让我们快进到要能 播放的位置就需用花很长时间。亲戚当当让我们当当让我们将会知道,线程池池池需用调用内存中不同位置的数据。将会数据读取时间和位置相关的话,计算机就很难把控线程池池池的运行时间。时候,随机读取的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线程池池池。即使线程池池池所需空间超过内存空间,内存空间也要能 通不要 量拓展来弥补。换句话说,内存的存储能力,和计算机运行情況的数据总量相当。内存的缺点是要能 持久地保存数据。一旦断电,内存中的数据就会消失。时候,计算机即使有了内存曾经六个 主存储器,还是需用硬盘曾经的实物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,可是我存储线程池池池的相关数据。亲戚当当让我们当当让我们完后 将会看到过线程池池池空间的线程池池池段、全局数据、栈和堆,以及哪些哪些存储形态在线程池池池运行中所起到的关键作用。有趣的是,尽管线程池池池和内存的关系没法紧密,但线程池池池不让能直接访问内存。在Linux下,线程池池池要能 直接读写内存中地址为0x1位置的数据。线程池池池中能访问的地址,要能要能 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。四种 内存管理依据,称为虚拟内存(virtual memory)。

每个线程池池池不是被委托人的一套虚拟内存地址,用来给被委托人的线程池池池空间编号。线程池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这类,不是为数据提供位置索引。线程池池池的虚拟内存地址相互独立。时候,六个 线程池池池空间要能 有相同的虚拟内存地址,如0x800800。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。对线程池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

应用线程池池池来说对物理内存地址一无所知。它只将会通过虚拟内存地址来进行数据读写。线程池池池中表达的内存地址,可是我是虚拟内存地址。线程池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。将会翻译的过程由操作系统全权负责,好多好多 有应用线程池池池要能 在全过程中对物理内存地址一无所知。时候,C线程池池池中表达的内存地址,不是虚拟内存地址。比如在C语言中,要能 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线程池池池自由访问物理内存地址的权利。线程池池池对物理内存的访问,需用经过操作系统的审查。时候,掌握着内存对应关系的操作系统,也掌握了应用线程池池池访问内存的闸门。借助虚拟内存地址,操作系统要能 保障线程池池池空间的独立性。假若操作系统把六个 线程池池池的线程池池池空间对应到不同的内存区域,时候六个 线程池池池空间成为“老死不相往来”的六个 小王国。六个 线程池池池就不将会相互篡改对方的数据,线程池池池出错的将会性就大为减少。

被委托人面,有了虚拟内存地址,内存共享也变得简单。操作系统要能 把同一物理内存区域对应到多个线程池池池空间。曾经,不需用任何的数据克隆技术,多个线程池池池就要能 看到相同的数据。内核和共享库的映射,可是我通过四种 依据进行的。每个线程池池池空间中,最初一每种的虚拟内存地址,都对应到物理内存中预留给内核的空间。曾经,所有的线程池池池就要能 共享同一套内核数据。共享库的情況也是这类。对于任何六个 共享库,计算机只需用往物理内存中加载一次,就要能 通过操纵对应关系,来让多个线程池池池一齐使用。IPO中的共享内存,不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,给线程池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,虚拟内存地址将会成为必备的设计。没法,操作系统需用要考虑清楚,怎么高效地翻译虚拟内存地址。

记录对应关系最简单的依据,可是我把对应关系记录在一张表中。为了让翻译效率足够地快,四种 表需用加载在内存中。不过,四种 记录依据惊人地浪费。将会树莓派1GB物理内存的每个字节不是六个 对应记录的话,没法光是对应关系就要远远超过内存的空间。将会对应关系的条目众多,搜索到六个 对应关系所需的时间也很长。曾经的话,会让树莓派陷入瘫痪。

时候,Linux采用了分页(paging)的依据来记录对应关系。所谓的分页,可是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。将会我想要获取当前树莓派的内存页大小,要能 使用命令:

得到结果,即内存分页的字节数:

4096

返回的4096代表每个内存页要能 存放4096个字节,即4KB。Linux把物理内存和线程池池池空间都分割成页。

内存分页,要能 极大地减少所要记录的内存对应关系。亲戚当当让我们当当让我们将会看到,以字节为单位的对应记录实在不要 。将会把物理内存和线程池池池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。将会每页的大小是每个字节的800倍。时候,内存中的总页数可是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将会。

无论是虚拟页,还是物理页,一页之内的地址不是连续的。曾经的话,六个 虚拟页和六个 物理页对应起来,页内的数据就要能 按顺序一一对应。这原应,虚拟内存地址和物理内存地址的末尾每种应该删改相同。大多数情況下,每一页有4096个字节。将会4096是2的12次方,好多好多 有地址最后12位的对应关系火山岩石石成立。亲戚当当让我们当当让我们把地址的四种 每种称为偏移量(offset)。偏移量实际上表达了该字节在页内的位置。地址的前一每种则是页编号。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,在于管理线程池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。四种 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。将会每个线程池池池会有一套虚拟内存地址,没法每个线程池池池一定会六个 分页表。为了保证查询效率,分页表也会保居于内存中。分页表有好多好多 有种实现依据,最简单的四种 分页表可是我把所有的对应关系记录到同六个 线性列表中,即如图2中的“对应关系”每种所示。

四种 单一的连续分页表,需用给每六个 虚拟页预留十根记录的位置。但对于任何六个 应用线程池池池,其线程池池池空间真正用到的地址都相当有限。亲戚当当让我们当当让我们还记得,线程池池池空间会有栈和堆。线程池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线程池池池空间。这原应,将会使用连续分页表,好多好多 有条目都没法真正用到。时候,Linux中的分页表,采用了多层的数据形态。多层的分页表要能减少所需的空间。

亲戚当当让我们当当让我们来看六个 简化的分页设计,用以说明Linux的多层分页表。亲戚当当让我们当当让我们把地址分为了页编号和偏移量两每种,用单层的分页表记录页编号每种的对应关系。对于多层分页表来说,会进一步分割页编号为六个 或更多的每种,时候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,用六个 十六进制数字表示。第二级对应了后12位页编号,用六个十六进制编号。二级表记录有对应的物理页,即保存了真正的分页记录。二级表有好多好多 有张,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位不是0x00。翻译地址的过程要跨越两级。亲戚当当让我们当当让我们先取地址的前8位,在一级表中找到对应记录。该记录会谁能告诉亲戚当当让我们当当让我们,目标二级表在内存中的位置。亲戚当当让我们当当让我们再在二级表中,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删改的电话号码分成区号。亲戚当当让我们当当让我们把同一地区的电话号码以及对应的人名记录同通六个 小本子上。再用六个 上级本子记录区号和各个小本子的对应关系。将会某个区号没法使用,没法亲戚当当让我们当当让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法使用,相应的二级表就不需用居于。正是通过四种 手段,多层分页表居于的空间要比单层分页表少了好多好多 有。

多层分页表还有曾经优势。单层分页表需用居于于连续的内存空间。而多层分页表的二级表,要能 散步于内存的不同位置。曾经的话,操作系统就要能 利用零碎空间来存储分页表。还需用注意的是,这里简化了多层分页表的好多好多 有细节。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好多好多 有。不过,多层分页表的基本原理不是相同。

综上,亲戚当当让我们当当让我们了解了内存以页为单位的管理依据。在分页的基础上,虚拟内存和物理内存实现了分离,从而让内核深度图参与和监督内存分配。应用线程池池池的安全性和稳定性时候大为提高。

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