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

内存

简单地说,内存就说 我那我数据货架。内存有那我最小的存储单位,大多数就有那我字节。内存用内存地址(memory address)来为每个字节的数据顺序编号。就说 我,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。有些线性增加的存储器地址称为线性地址(linear address)。为了方便,我门都都我门都都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”后边跟着的,就说 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让你存取数据的地址。以英特尔32位的150386型CPU为例,这款CPU有3那我针脚都前要传输地址信息。每个针脚对应了一位。可能性针脚上是高电压,这麼 有些位是1。可能性是低电压,这麼 有些位是0。32位的电压高低信息通过地址总线传到内存的3那我针脚,内存就能把电压高低信息转加进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位地址空间就说 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,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,我门都都我门都都想听其中的一首歌,前要转动带子。可能性那首歌是第一首,这麼 立即就都前要播放。可能性那首歌恰巧是最后一首,我门都都我门都都快进到都前要播放的位置就前要花很长时间。我门都都我门都都可能性知道,线程池前要调用内存中不同位置的数据。可能性数据读取时间和位置相关语句,计算机就太难把控线程池的运行时间。就说 我,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线程池。即使线程池所需空间超过内存空间,内存空间也都前要通过一定量拓展来弥补。换句话说,内存的存储能力,和计算机运行情况报告的数据总量相当。内存的缺点是只有持久地保存数据。一旦断电,内存中的数据就会消失。就说 我,计算机即使有了内存那我那我主存储器,还是前要硬盘那我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,就说 我存储线程池的相关数据。我门都都我门都都那我可能性看了过线程池空间的线程池段、全局数据、栈和堆,以及那先 那先 存储特征在线程池运行中所起到的关键作用。有趣的是,尽管线程池和内存的关系这麼 紧密,但线程池何必 能直接访问内存。在Linux下,线程池只有直接读写内存中地址为0x1位置的数据。线程池中能访问的地址,只有是虚拟内存地址(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。有些内存管理办法,称为虚拟内存(virtual memory)。

每个线程池就有此人 的一套虚拟内存地址,用来给此人 的线程池空间编号。线程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,就有为数据提供位置索引。线程池的虚拟内存地址相互独立。就说 我,那我线程池空间都前要有相同的虚拟内存地址,如0x1115011150。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

应用线程池来说对物理内存地址一无所知。它只可能性通过虚拟内存地址来进行数据读写。线程池中表达的内存地址,也就有虚拟内存地址。线程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。可能性翻译的过程由操作系统全权负责,什么都应用线程池都前要在全过程中对物理内存地址一无所知。就说 我,C线程池中表达的内存地址,就有虚拟内存地址。比如在C语言中,都前要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自由访问物理内存地址的权利。线程池对物理内存的访问,前要经过操作系统的审查。就说 我,掌握着内存对应关系的操作系统,也掌握了应用线程池访问内存的闸门。借助虚拟内存地址,操作系统都前要保障线程池空间的独立性。假若操作系统把那我线程池的线程池空间对应到不同的内存区域,就说 那我线程池空间成为“老死不相往来”的那我小王国。那我线程池就可能性性相互篡改对方的数据,线程池出错的可能性性就大为减少。

此人 面,有了虚拟内存地址,内存共享也变得简单。操作系统都前要把同一物理内存区域对应到多个线程池空间。那我,不前要任何的数据克隆qq,多个线程池就都前要看了相同的数据。内核和共享库的映射,就说 我通过有些办法进行的。每个线程池空间中,最初一要素的虚拟内存地址,都对应到物理内存中预留给内核的空间。那我,所有的线程池就都前要共享同一套内核数据。共享库的情况报告也是同类。对于任何那我共享库,计算机只前要往物理内存中加载一次,就都前要通过操纵对应关系,来让多个线程池一同使用。IPO中的共享内存,就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,给线程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,虚拟内存地址可能性成为必备的设计。这麼 ,操作系统前要要考虑清楚,如何能高效地翻译虚拟内存地址。

记录对应关系最简单的办法,就说 我把对应关系记录在一张表中。为了让翻译传输强度足够地快,有些表前要加载在内存中。不过,有些记录办法惊人地浪费。可能性树莓派1GB物理内存的每个字节就有那我对应记录语句,这麼 光是对应关系就要远远超过内存的空间。可能性对应关系的条目众多,搜索到那我对应关系所需的时间也很长。那我语句,会让树莓派陷入瘫痪。

就说 我,Linux采用了分页(paging)的办法来记录对应关系。所谓的分页,就说 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。可能性我让你获取当前树莓派的内存页大小,都前要使用命令:

得到结果,即内存分页的字节数:

4096

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

内存分页,都前要极大地减少所要记录的内存对应关系。我门都都我门都都可能性看了,以字节为单位的对应记录人太好不要 。可能性把物理内存和线程池空间的地址都分成页,内核只前要记录页的对应关系,相关的工作量就会大为减少。可能性每页的大小是每个字节的1500倍。就说 我,内存中的总页数就说 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可能性。

无论是虚拟页,还是物理页,一页之内的地址就有连续的。那我语句,那我虚拟页和那我物理页对应起来,页内的数据就都前要按顺序一一对应。这原应,虚拟内存地址和物理内存地址的末尾要素应该完整篇 相同。大多数情况报告下,每一页有4096个字节。可能性4096是2的12次方,什么都地址最后12位的对应关系火山玻璃成立。我门都都我门都都把地址的有些要素称为偏移量(offset)。偏移量实际上表达了该字节在页内的位置。地址的前一要素则是页编号。操作系统只前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,在于管理线程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。有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。可能性每个线程池会有一套虚拟内存地址,这麼 每个线程池一定会有那我分页表。为了保证查询传输强度,分页表也会保位于内存中。分页表有什么都种实现办法,最简单的有四种 分页表就说 我把所有的对应关系记录到同那我线性列表中,即如图2中的“对应关系”要素所示。

有些单一的连续分页表,前要给每那我虚拟页预留每根记录的位置。但对于任何那我应用线程池,其线程池空间真正用到的地址都相当有限。我门都都我门都都还记得,线程池空间会有栈和堆。线程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空间。这原应,可能性使用连续分页表,什么都条目都这麼 真正用到。就说 我,Linux中的分页表,采用了多层的数据特征。多层的分页表不要 能能减少所需的空间。

我门都都我门都都来看那我冗杂的分页设计,用以说明Linux的多层分页表。我门都都我门都都把地址分为了页编号和偏移量两要素,用单层的分页表记录页编号要素的对应关系。对于多层分页表来说,会进一步分割页编号为那我或更多的要素,就说 我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,用那我十六进制数字表示。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,后边记录的前8位就有0x00。翻译地址的过程要跨越两级。我门都都我门都都先取地址的前8位,在一级表中找到对应记录。该记录会我这麼乎 们,目标二级表在内存中的位置。我门都都我门都都再在二级表中,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。我门都都我门都都把同一地区的电话号码以及对应的人名记录同通那我小本子上。再用那我上级本子记录区号和各个小本子的对应关系。可能性某个区号这麼 使用,这麼 我门都都我门都都只前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,相应的二级表就不前要位于。正是通过有些手段,多层分页表位于的空间要比单层分页表少了什么都。

多层分页表还有那我优势。单层分页表前要位于于连续的内存空间。而多层分页表的二级表,都前要散步于内存的不同位置。那我语句,操作系统就都前要利用零碎空间来存储分页表。还前要注意的是,这里冗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就有相同。

综上,我门都都我门都都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,从而让内核深度1参与和监督内存分配。应用线程池的安全性和稳定性就说 我大为提高。

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