Linux的内存分页管理

  • 时间:
  • 浏览:0
  • 来源:3分时时彩官网_3分时时彩投注平台注册_3分时时彩下注平台注册

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。内存为线程运行运行开辟出线程运行运行空间,让线程运行运行在其中保存数据。我将从内存的物理内部结构出发,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,内存也不二个多数据货架。内存二个多多最小的存储单位,大多数全是 二个多字节。内存用内存地址(memory address)来为每个字节的数据顺序编号。也不,内存地址说明了数据在内存中的位置。内存地址从0刚现在开始,每次增加1。你这名 线性增加的存储器地址称为线性地址(linear address)。为了方便,大伙儿儿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,也不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让你存取数据的地址。以英特尔32位的50386型CPU为例,这款CPU有3二个多针脚都没人 传输地址信息。每个针脚对应了一位。也不针脚上是高电压,没人 你这名 位是1。也不是低电压,没人 你这名 位是0。32位的电压高低信息通过地址总线传到内存的3二个多针脚,内存就能把电压高低信息转加带32位的二进制数,从而知道CPU让你的是哪个位置的数据。用十六进制表示,32位地址空间也不从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,许多存储器的读取时间和数据所在位置有关。就拿磁带来说,大伙儿儿想听其中的一首歌,没人 转动带子。也不那首歌是第一首,没人 立即就都没人 播放。也不那首歌恰巧是最后一首,大伙儿儿快进到都没人 播放的位置就没人 花很长时间。大伙儿儿也不知道,线程运行运行没人 调用内存中不同位置的数据。也不数据读取时间和位置相关句子,计算机就没人 把控线程运行运行的运行时间。也不,随机读取的内部结构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运行运行。即使线程运行运行所需空间超过内存空间,内存空间也都没人 通过絮状拓展来弥补。换句话说,内存的存储能力,和计算机运行状况的数据总量相当。内存的缺点是没人 持久地保存数据。一旦断电,内存中的数据就会消失。也不,计算机即使有了内存从前二个多主存储器,还是没人 硬盘从前的内部内部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,也不存储线程运行运行的相关数据。大伙儿儿也不也不看过过线程运行运行空间的线程运行段、全局数据、栈和堆,以及哪此哪此存储内部结构在线程运行运行运行中所起到的关键作用。有趣的是,尽管线程运行运行和内存的关系没人 紧密,但线程运行运行未必能直接访问内存。在Linux下,线程运行运行没人 直接读写内存中地址为0x1位置的数据。线程运行运行中能访问的地址,没人 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。你这名 内存管理办法 ,称为虚拟内存(virtual memory)。

每个线程运行运行全是 另一方的一套虚拟内存地址,用来给另一方的线程运行运行空间编号。线程运行运行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之类,全是 为数据提供位置索引。线程运行运行的虚拟内存地址相互独立。也不,二个线程运行运行空间都没人 有相同的虚拟内存地址,如0x5050。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。对线程运行运行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

线程运行运行来说对物理内存地址一无所知。它只也不通过虚拟内存地址来进行数据读写。线程运行中表达的内存地址,也全是 虚拟内存地址。线程运行运行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。也不翻译的过程由操作系统全权负责,许线程运行运行都没人 在全过程中对物理内存地址一无所知。也不,C线程运行中表达的内存地址,全是 虚拟内存地址。比如在C语言中,都没人 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线程运行运行自由访问物理内存地址的权利。线程运行运行对物理内存的访问,没人 经过操作系统的审查。也不,掌握着内存对应关系的操作系统,也掌握了线程运行运行访问内存的闸门。借助虚拟内存地址,操作系统都没人 保障线程运行运行空间的独立性。假如操作系统把二个线程运行运行的线程运行运行空间对应到不同的内存区域,也不二个线程运行运行空间成为“老死不相往来”的二个多小王国。二个线程运行运行就不让是相互篡改对方的数据,线程运行运行出错的也不性就大为减少。

另一方面,有了虚拟内存地址,内存共享也变得简单。操作系统都没人 把同一物理内存区域对应到多个线程运行运行空间。从前,不没人 任何的数据克隆,多个线程运行运行就都没人 看过相同的数据。内核和共享库的映射,也不通过你这名 办法 进行的。每个线程运行运行空间中,最初一每项的虚拟内存地址,都对应到物理内存中预留给内核的空间。从前,所有的线程运行运行就都没人 共享同一套内核数据。共享库的状况也是之类。对于任何二个多共享库,计算机只没人 往物理内存中加载一次,就都没人 通过操纵对应关系,来让多个线程运行运行同時 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,给线程运行运行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,虚拟内存地址也不成为必备的设计。没人 ,操作系统必没人 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办法 ,也不把对应关系记录在一张表中。为了让翻译数率单位足够地快,你这名 表没人 加载在内存中。不过,你这名 记录办法 惊人地浪费。也不树莓派1GB物理内存的每个字节都二个多多对应记录句子,没人 光是对应关系就要远远超过内存的空间。也不对应关系的条目众多,搜索到二个多对应关系所需的时间也很长。从前句子,会让树莓派陷入瘫痪。

也不,Linux采用了分页(paging)的办法 来记录对应关系。所谓的分页,也不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。也不让你获取当前树莓派的内存页大小,都没人 使用命令:

得到结果,即内存分页的字节数:

4096

返回的4096代表每个内存页都没人 存放4096个字节,即4KB。Linux把物理内存和线程运行运行空间都分割成页。

内存分页,都没人 极大地减少所要记录的内存对应关系。大伙儿儿也不看过,以字节为单位的对应记录着实不要 。也不把物理内存和线程运行运行空间的地址都分成页,内核只没人 记录页的对应关系,相关的工作量就会大为减少。也不每页的大小是每个字节的500倍。也不,内存中的总页数也不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也不。

无论是虚拟页,还是物理页,一页之内的地址全是 连续的。从前句子,二个多虚拟页和二个多物理页对应起来,页内的数据就都没人 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每项应该删剪相同。大多数状况下,每一页有4096个字节。也不4096是2的12次方,许多地址最后12位的对应关系纯天然成立。大伙儿儿把地址的你这名 每项称为偏移量(offset)。偏移量实际上表达了该字节在页内的位置。地址的前一每项则是页编号。操作系统只没人 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,在于管理线程运行运行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。你这名 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。也不每个线程运行运行会有一套虚拟内存地址,没人 每个线程运行运行全是二个多多分页表。为了保证查询数率单位,分页表也会保趋于稳定内存中。分页表有许多种实现办法 ,最简单的你这名 分页表也不把所有的对应关系记录到同二个多线性列表中,即如图2中的“对应关系”每项所示。

你这名 单一的连续分页表,没人 给每二个多虚拟页预留一根绳子 记录的位置。但对于任何二个线程运行运行运行,其线程运行运行空间真正用到的地址都相当有限。大伙儿儿还记得,线程运行运行空间会有栈和堆。线程运行运行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运行运行空间。这由于,也不使用连续分页表,许多条目都没人 真正用到。也不,Linux中的分页表,采用了多层的数据内部结构。多层的分页表都可不可以 减少所需的空间。

大伙儿儿来看二个多比较复杂的分页设计,用以说明Linux的多层分页表。大伙儿儿把地址分为了页编号和偏移量两每项,用单层的分页表记录页编号每项的对应关系。对于多层分页表来说,会进一步分割页编号为二个多或更多的每项,也不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,用二个多十六进制数字表示。第二级对应了后12位页编号,用二个十六进制编号。二级表记录有对应的物理页,即保存了真正的分页记录。二级表有许多张,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位全是 0x00。翻译地址的过程要跨越两级。大伙儿儿先取地址的前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。大伙儿儿再在二级表中,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剪的电话号码分成区号。大伙儿儿把同一地区的电话号码以及对应的人名记录同通二个多小本子上。再用二个多上级本子记录区号和各个小本子的对应关系。也不某个区号没人 使用,没人 大伙儿儿只没人 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人 使用,相应的二级表就不没人 趋于稳定。正是通过你这名 手段,多层分页表趋于稳定的空间要比单层分页表少了许多。

多层分页表还有从前优势。单层分页表没人 趋于稳定于连续的内存空间。而多层分页表的二级表,都没人 散步于内存的不同位置。从前句子,操作系统就都没人 利用零碎空间来存储分页表。还没人 注意的是,这里比较复杂了多层分页表的许多细节。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许多。不过,多层分页表的基本原理全是 相同。

综上,大伙儿儿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。线程运行运行运行的安全性和稳定性也不大为提高。

欢迎阅读“骑着企鹅采树莓”系列文章