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。我将从内存的物理价值形式出发,深入到内存管理的细节,一阵一阵是了解虚拟内存和内存分页的概念。

内存

简单地说,内存只要原本数据货架。内存有原本最小的存储单位,大多数全是原本字节。内存用内存地址(memory address)来为每个字节的数据顺序编号。有刚刚 ,内存地址说明了数据在内存中的位置。内存地址从0始于英语 ,每次增加1。你你是什么线性增加的存储器地址称为线性地址(linear address)。为了方便,朋友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”后面 跟着的,只要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要我存取数据的地址。以英特尔32位的80386型CPU为例,这款CPU有3原本针脚可不会会 传输地址信息。每个针脚对应了一位。有刚刚 针脚上是高电压,只有 你你是什么位是1。有刚刚 是低电压,只有 你你是什么位是0。32位的电压高低信息通过地址总线传到内存的3原本针脚,内存就能把电压高低信息转上加32位的二进制数,从而知道CPU要我的是哪个位置的数据。用十六进制表示,32位地址空间只要从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,其他存储器的读取时间和数据所在位置有关。就拿磁带来说,朋友想听其中的一首歌,需用转动带子。有刚刚 那首歌是第一首,只有 立即就可不会会 播放。有刚刚 那首歌恰巧是最后一首,朋友快进到可不会会 播放的位置就需用花很长时间。朋友有刚刚 知道,线程池池池需用调用内存中不同位置的数据。有刚刚 数据读取时间和位置相关一段话,计算机就没能把控线程池池池的运行时间。有刚刚 ,随机读取的价值形式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,内存空间也可不会会 通越多量拓展来弥补。换句话说,内存的存储能力,和计算机运行具体情况的数据总量相当。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。有刚刚 ,计算机即使有了内存原本原本主存储器,还是需用硬盘原本的组织组织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,只要存储线程池池池的相关数据。朋友原本有刚刚 看完过线程池池池空间的线程池池池段、全局数据、栈和堆,以及哪些地方地方哪些地方地方存储价值形式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只有 紧密,但线程池池池从只有直接访问内存。在Linux下,线程池池池只有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,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。你你是什么内存管理办法,称为虚拟内存(virtual memory)。

每个线程池池池全是其他人的一套虚拟内存地址,用来给其他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累似 ,全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。有刚刚 ,原本线程池池池空间可不会会 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。它只有刚刚 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,也全是虚拟内存地址。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。有刚刚 翻译的过程由操作系统全权负责,其他应用线程池池池可不会会 在全过程中对物理内存地址一无所知。有刚刚 ,C线程池池池中表达的内存地址,全是虚拟内存地址。比如在C语言中,可不会会 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。有刚刚 ,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,操作系统可不会会 保障线程池池池空间的独立性。只要操作系统把原本线程池池池的线程池池池空间对应到不同的内存区域,刚刚原本线程池池池空间成为“老死不相往来”的原本小王国。原本线程池池池就不有刚刚 相互篡改对方的数据,线程池池池出错的有刚刚 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。操作系统可不会会 把同一物理内存区域对应到多个线程池池池空间。原本,不需用任何的数据群克隆,多个线程池池池就可不会会 看完相同的数据。内核和共享库的映射,只要通过你你是什么办法进行的。每个线程池池池空间中,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。原本,所有的线程池池池就可不会会 共享同一套内核数据。共享库的具体情况也是累似 。对于任何原本共享库,计算机只需用往物理内存中加载一次,就可不会会 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,全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,虚拟内存地址有刚刚 成为必备的设计。只有 ,操作系统需用要考虑清楚,何如能高效地翻译虚拟内存地址。

记录对应关系最简单的办法,只要把对应关系记录在一张表中。为了让翻译速率单位足够地快,你你是什么表需用加载在内存中。不过,你你是什么记录办法惊人地浪费。有刚刚 树莓派1GB物理内存的每个字节全是原本对应记录一段话,只有 光是对应关系就要远远超过内存的空间。有刚刚 对应关系的条目众多,搜索到原本对应关系所需的时间也很长。原本一段话,会让树莓派陷入瘫痪。

有刚刚 ,Linux采用了分页(paging)的办法来记录对应关系。所谓的分页,只要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。有刚刚 要我获取当前树莓派的内存页大小,可不会会 使用命令:

得到结果,即内存分页的字节数:

4096

返回的4096代表每个内存页可不会会 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,可不会会 极大地减少所要记录的内存对应关系。朋友有刚刚 看完,以字节为单位的对应记录嘴笨 只有 来越多。有刚刚 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。有刚刚 每页的大小是每个字节的800倍。有刚刚 ,内存中的总页数只要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有刚刚 。

无论是虚拟页,还是物理页,一页之内的地址全是连续的。原本一段话,原本虚拟页和原本物理页对应起来,页内的数据就可不会会 按顺序一一对应。这由于,虚拟内存地址和物理内存地址的末尾次要应该全版相同。大多数具体情况下,每一页有4096个字节。有刚刚 4096是2的12次方,其他地址最后12位的对应关系纯天然成立。朋友把地址的你你是什么次要称为偏移量(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。你你是什么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。有刚刚 每个线程池池池会有一套虚拟内存地址,只有 每个线程池池池一定会有原本分页表。为了保证查询速率单位,分页表也会保所处内存中。分页表有其他种实现办法,最简单的有三种分页表只要把所有的对应关系记录到同原本线性列表中,即如图2中的“对应关系”次要所示。

你你是什么单一的连续分页表,需用给每原本虚拟页预留十根记录的位置。但对于任何原本应用线程池池池,其线程池池池空间真正用到的地址都相当有限。朋友还记得,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。这由于,有刚刚 使用连续分页表,其他条目都只有 真正用到。有刚刚 ,Linux中的分页表,采用了多层的数据价值形式。多层的分页表不会 减少所需的空间。

朋友来看原本复杂化的分页设计,用以说明Linux的多层分页表。朋友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原本或更多的次要,有刚刚 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,用原本十六进制数字表示。第二级对应了后12位页编号,用5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。二级表有其他张,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,后面 记录的前8位全是0x00。翻译地址的过程要跨越两级。朋友先取地址的前8位,在一级表中找到对应记录。该记录会不知道们,目标二级表在内存中的位置。朋友再在二级表中,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全版的电话号码分成区号。朋友把同一地区的电话号码以及对应的人名记录同通原本小本子上。再用原本上级本子记录区号和各个小本子的对应关系。有刚刚 某个区号只有 使用,只有 朋友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开头的虚拟地址段只有 使用,相应的二级表就不需用所处。正是通过你你是什么手段,多层分页表所处的空间要比单层分页表少了其他。

多层分页表还有原本优势。单层分页表需用所处于连续的内存空间。而多层分页表的二级表,可不会会 散步于内存的不同位置。原本一段话,操作系统就可不会会 利用零碎空间来存储分页表。还需用注意的是,这里复杂化了多层分页表的其他细节。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其他。不过,多层分页表的基本原理全是相同。

综上,朋友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有刚刚 大为提高。

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