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tcp连接开辟出守护tcp连接空间,让守护tcp连接在其中保存数据。我将从内存的物理行态出发,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,内存什么都有 兩个 多数据货架。内存有兩个 多最小的存储单位,大多数还要兩个 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。因此,内存地址说明了数据在内存中的位置。内存地址从0开始英文英语 ,每次增加1。这些 线性增加的存储器地址称为线性地址(linear address)。为了方便,亲戚亲戚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”里面跟着的,什么都有 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愿意存取数据的地址。以英特尔32位的80386型CPU为例,这款CPU有3兩个 多针脚能能传输地址信息。每个针脚对应了一位。将会针脚上是高电压,这麼这些 位是1。将会是低电压,这麼这些 位是0。32位的电压高低信息通过地址总线传到内存的3兩个 多针脚,内存就能把电压高低信息转加上32位的二进制数,从而知道CPU愿意的是哪个位置的数据。用十六进制表示,32位地址空间什么都有 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,亲戚亲戚亲们想听其中的一首歌,还要转动带子。将会那首歌是第一首,这麼立即就能能播放。将会那首歌恰巧是最后一首,亲戚亲戚亲们快进到能能播放的位置就还要花很长时间。亲戚亲戚亲们将会知道,守护tcp连接还要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一句话,计算机就真难把控守护tcp连接的运行时间。因此,随机读取的行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守护tcp连接。即使守护tcp连接所需空间超过内存空间,内存空间也能能通过几瓶拓展来弥补。换句话说,内存的存储能力,和计算机运行状态的数据总量相当。内存的缺点是必须持久地保存数据。一旦断电,内存中的数据就会消失。因此,计算机即使有了内存原来兩个 多主存储器,还是还要硬盘原来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,什么都有 存储守护tcp连接的相关数据。亲戚亲戚亲们事先将会看多过守护tcp连接空间的守护tcp连接段、全局数据、栈和堆,以及哪几种哪几种存储行态在守护tcp连接运行中所起到的关键作用。有趣的是,尽管守护tcp连接和内存的关系这麼紧密,但守护tcp连接何必 能直接访问内存。在Linux下,守护tcp连接必须直接读写内存中地址为0x1位置的数据。守护tcp连接中能访问的地址,必须是虚拟内存地址(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。这些 内存管理土办法 ,称为虚拟内存(virtual memory)。

每个守护tcp连接还要其他人的一套虚拟内存地址,用来给其他人的守护tcp连接空间编号。守护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,还要为数据提供位置索引。守护tcp连接的虚拟内存地址相互独立。因此,兩个 多守护tcp连接空间能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。对守护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

应用守护tcp连接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。守护tcp连接中表达的内存地址,也还要虚拟内存地址。守护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。将会翻译的过程由操作系统全权负责,什么都有应用守护tcp连接能能在全过程中对物理内存地址一无所知。因此,C守护tcp连接中表达的内存地址,还要虚拟内存地址。比如在C语言中,能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tcp连接自由访问物理内存地址的权利。守护tcp连接对物理内存的访问,还要经过操作系统的审查。因此,掌握着内存对应关系的操作系统,也掌握了应用守护tcp连接访问内存的闸门。借助虚拟内存地址,操作系统能能保障守护tcp连接空间的独立性。因此操作系统把兩个 多守护tcp连接的守护tcp连接空间对应到不同的内存区域,后来兩个 多守护tcp连接空间成为“老死不相往来”的兩个 多小王国。兩个 多守护tcp连接就不将会相互篡改对方的数据,守护tcp连接出错的将会性就大为减少。

其他人面,有了虚拟内存地址,内存共享也变得简单。操作系统能能把同一物理内存区域对应到多个守护tcp连接空间。原来,不还要任何的数据克隆好友,多个守护tcp连接就能能看多相同的数据。内核和共享库的映射,什么都有 通过这些 土办法 进行的。每个守护tcp连接空间中,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。原来,所有的守护tcp连接就能能共享同一套内核数据。共享库的状态也是相似。对于任何兩个 多共享库,计算机只还要往物理内存中加载一次,就能能通过操纵对应关系,来让多个守护tcp连接一起去使用。IPO中的共享内存,还要赖于虚拟内存地址。

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,虚拟内存地址将会成为必备的设计。这麼,操作系统还要要考虑清楚,如可能高效地翻译虚拟内存地址。

记录对应关系最简单的土办法 ,什么都有 把对应关系记录在一张表中。为了让翻译时延足够地快,这些 表还要加载在内存中。不过,这些 记录土办法 惊人地浪费。将会树莓派1GB物理内存的每个字节还要兩个 多对应记录一句话,这麼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,搜索到兩个 多对应关系所需的时间也很长。原来一句话,会让树莓派陷入瘫痪。

因此,Linux采用了分页(paging)的土办法 来记录对应关系。所谓的分页,什么都有 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。将会愿意获取当前树莓派的内存页大小,能能使用命令:

得到结果,即内存分页的字节数:

4096

返回的4096代表每个内存页能能存放4096个字节,即4KB。Linux把物理内存和守护tcp连接空间都分割成页。

内存分页,能能极大地减少所要记录的内存对应关系。亲戚亲戚亲们将会看多,以字节为单位的对应记录其实太少。将会把物理内存和守护tcp连接空间的地址都分成页,内核只还要记录页的对应关系,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。因此,内存中的总页数什么都有 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,一页之内的地址还要连续的。原来一句话,兩个 多虚拟页和兩个 多物理页对应起来,页内的数据就能能按顺序一一对应。这因为 着,虚拟内存地址和物理内存地址的末尾主次应该完整性相同。大多数状态下,每一页有4096个字节。将会4096是2的12次方,什么都有地址最后12位的对应关系火山玻璃成立。亲戚亲戚亲们把地址的这些 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。操作系统只还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,在于管理守护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。这些 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。将会每个守护tcp连接会有一套虚拟内存地址,这麼每个守护tcp连接还要有兩个 多分页表。为了保证查询时延,分页表也会保占据 内存中。分页表有什么都有种实现土办法 ,最简单的这些 分页表什么都有 把所有的对应关系记录到同兩个 多线性列表中,即如图2中的“对应关系”主次所示。

这些 单一的连续分页表,还要给每兩个 多虚拟页预留每根记录的位置。但对于任何兩个 多应用守护tcp连接,其守护tcp连接空间真正用到的地址都相当有限。亲戚亲戚亲们还记得,守护tcp连接空间会有栈和堆。守护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守护tcp连接空间。这因为 着,将会使用连续分页表,什么都有条目都这麼真正用到。因此,Linux中的分页表,采用了多层的数据行态。多层的分页表不能减少所需的空间。

亲戚亲戚亲们来看兩个 多僵化 的分页设计,用以说明Linux的多层分页表。亲戚亲戚亲们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兩个 多或更多的主次,因此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,用兩个 多十六进制数字表示。第二级对应了后12位页编号,用3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,里面记录的前8位还要0x00。翻译地址的过程要跨越两级。亲戚亲戚亲们先取地址的前8位,在一级表中找到对应记录。该记录会谁能告诉亲戚亲戚亲们,目标二级表在内存中的位置。亲戚亲戚亲们再在二级表中,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完整性的电话号码分成区号。亲戚亲戚亲们把同一地区的电话号码以及对应的人名记录同通兩个 多小本子上。再用兩个 多上级本子记录区号和各个小本子的对应关系。将会某个区号这麼使用,这麼亲戚亲戚亲们只还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开头的虚拟地址段这麼使用,相应的二级表就不还要占据 。正是通过这些 手段,多层分页表占据 的空间要比单层分页表少了什么都有。

多层分页表还有原来优势。单层分页表还要占据 于连续的内存空间。而多层分页表的二级表,能能散步于内存的不同位置。原来一句话,操作系统就能能利用零碎空间来存储分页表。还还要注意的是,这里僵化 了多层分页表的什么都有细节。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什么都有。不过,多层分页表的基本原理还要相同。

综上,亲戚亲戚亲们了解了内存以页为单位的管理土办法 。在分页的基础上,虚拟内存和物理内存实现了分离,从而让内核层厚参与和监督内存分配。应用守护tcp连接的安全性和稳定性因此大为提高。

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