Linux的内存分页管理

  • 时间:
  • 浏览:1
  • 来源:极速快3_快3怎么做代理_极速快3怎么做代理

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。内存为程序运行开辟出程序运行空间,让程序运行在其中保存数据。我将从内存的物理组织结构出发,深入到内存管理的细节,不如何是了解虚拟内存和内存分页的概念。

内存

简单地说,内存好多好多 我有有5个数据货架。内存有有有5个最小的存储单位,大多数都有有有5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。而且 ,内存地址说明了数据在内存中的位置。内存地址从0刚开始,每次增加1。这名线性增加的存储器地址称为线性地址(linear address)。为了方便,亲戚亲戚大伙 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,好多好多 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你后能 存取数据的地址。以英特尔32位的50386型CPU为例,这款CPU有3有有5个针脚后能 传输地址信息。每个针脚对应了一位。导致 针脚上是高电压,比较慢这名位是1。导致 是低电压,比较慢这名位是0。32位的电压高低信息通过地址总线传到内存的3有有5个针脚,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你后能 的是哪个位置的数据。用十六进制表示,32位地址空间好多好多 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 存储器的读取时间和数据所在位置有关。就拿磁带来说,亲戚亲戚大伙 想听其中的一首歌,前要转动带子。导致 那首歌是第一首,比较慢立即就后能 播放。导致 那首歌恰巧是最后一首,亲戚亲戚大伙 快进到后能 播放的位置就前要花很长时间。亲戚亲戚大伙 导致 知道,程序运行前要调用内存中不同位置的数据。导致 数据读取时间和位置相关话语,计算机就比较慢把控程序运行的运行时间。而且 ,随机读取的组织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程序运行。即使程序运行所需空间超过内存空间,内存空间也后能 通过大量拓展来弥补。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。内存的缺点是比较慢持久地保存数据。一旦断电,内存中的数据就会消失。而且 ,计算机即使有了内存原先有有5个主存储器,还是前要硬盘原先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,好多好多 我存储程序运行的相关数据。亲戚亲戚大伙 之前 导致 看后过程序运行空间的程序运行段、全局数据、栈和堆,以及哪此哪此存储组织结构在程序运行运行中所起到的关键作用。有趣的是,尽管程序运行和内存的关系比较慢紧密,但程序运行不须能直接访问内存。在Linux下,程序运行比较慢直接读写内存中地址为0x1位置的数据。程序运行中能访问的地址,比较慢是虚拟内存地址(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。这名内存管理法律最好的办法,称为虚拟内存(virtual memory)。

每个程序运行都有个人的一套虚拟内存地址,用来给个人的程序运行空间编号。程序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这名,都有为数据提供位置索引。程序运行的虚拟内存地址相互独立。而且 ,有有5个程序运行空间后能 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。对程序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

程序运行运行来说对物理内存地址一无所知。它可是我导致 通过虚拟内存地址来进行数据读写。程序运行中表达的内存地址,也都有虚拟内存地址。程序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。导致 翻译的过程由操作系统全权负责,好多好多 程序运行运行后能 在全过程中对物理内存地址一无所知。而且 ,C程序运行中表达的内存地址,都有虚拟内存地址。比如在C语言中,后能 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程序运行运行自由访问物理内存地址的权利。程序运行对物理内存的访问,前要经过操作系统的审查。而且 ,掌握着内存对应关系的操作系统,也掌握了程序运行运行访问内存的闸门。借助虚拟内存地址,操作系统后能 保障程序运行空间的独立性。假如有一天操作系统把有有5个程序运行的程序运行空间对应到不同的内存区域,之前 有有5个程序运行空间成为“老死不相往来”的有有5个小王国。有有5个程序运行就不导致 相互篡改对方的数据,程序运行出错的导致 性就大为减少。

个人面,有了虚拟内存地址,内存共享也变得简单。操作系统后能 把同一物理内存区域对应到多个程序运行空间。原先,不前要任何的数据基因重组,多个程序运行就后能 看后相同的数据。内核和共享库的映射,好多好多 我通过这名法律最好的办法进行的。每个程序运行空间中,最初一偏离 的虚拟内存地址,都对应到物理内存中预留给内核的空间。原先,所有的程序运行就后能 共享同一套内核数据。共享库的状态也是这名。对于任何有有5个共享库,计算机只前要往物理内存中加载一次,就后能 通过操纵对应关系,来让多个程序运行共同使用。IPO中的共享内存,都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,给程序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,虚拟内存地址导致 成为必备的设计。比较慢,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法律最好的办法,好多好多 我把对应关系记录在一张表中。为了让翻译下行速率 足够地快,这名表前要加载在内存中。不过,这名记录法律最好的办法惊人地浪费。导致 树莓派1GB物理内存的每个字节都有有有5个对应记录话语,比较慢光是对应关系就要远远超过内存的空间。导致 对应关系的条目众多,搜索到有有5个对应关系所需的时间也很长。原先话语,会让树莓派陷入瘫痪。

而且 ,Linux采用了分页(paging)的法律最好的办法来记录对应关系。所谓的分页,好多好多 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。导致 你后能 获取当前树莓派的内存页大小,后能 使用命令:

得到结果,即内存分页的字节数:

4096

返回的4096代表每个内存页后能 存放4096个字节,即4KB。Linux把物理内存和程序运行空间都分割成页。

内存分页,后能 极大地减少所要记录的内存对应关系。亲戚亲戚大伙 导致 看后,以字节为单位的对应记录随便说说比较慢来太大。导致 把物理内存和程序运行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。导致 每页的大小是每个字节的500倍。而且 ,内存中的总页数好多好多 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导致 。

无论是虚拟页,还是物理页,一页之内的地址都有连续的。原先话语,有有5个虚拟页和有有5个物理页对应起来,页内的数据就后能 按顺序一一对应。这导致 ,虚拟内存地址和物理内存地址的末尾偏离 应该完整版相同。大多数状态下,每一页有4096个字节。导致 4096是2的12次方,好多好多 地址最后12位的对应关系全天然成立。亲戚亲戚大伙 把地址的这名偏离 称为偏移量(offset)。偏移量实际上表达了该字节在页内的位置。地址的前一偏离 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,在于管理程序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。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。导致 每个程序运行会有一套虚拟内存地址,比较慢每个程序运行还会有有有5个分页表。为了保证查询下行速率 ,分页表也会保地处内存中。分页表有好多好多 种实现法律最好的办法,最简单的并都有分页表好多好多 我把所有的对应关系记录到同有有5个线性列表中,即如图2中的“对应关系”偏离 所示。

这名单一的连续分页表,前要给每有有5个虚拟页预留一根记录的位置。但对于任何有有5个程序运行运行,其程序运行空间真正用到的地址都相当有限。亲戚亲戚大伙 还记得,程序运行空间会有栈和堆。程序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程序运行空间。这导致 ,导致 使用连续分页表,好多好多 条目都比较慢真正用到。而且 ,Linux中的分页表,采用了多层的数据组织结构。多层的分页表不想 减少所需的空间。

亲戚亲戚大伙 来看有有5个比较复杂的分页设计,用以说明Linux的多层分页表。亲戚亲戚大伙 把地址分为了页编号和偏移量两偏离 ,用单层的分页表记录页编号偏离 的对应关系。对于多层分页表来说,会进一步分割页编号为有有5个或更多的偏离 ,而且 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,用有有5个十六进制数字表示。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。二级表有好多好多 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位都有0x00。翻译地址的过程要跨越两级。亲戚亲戚大伙 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大伙 ,目标二级表在内存中的位置。亲戚亲戚大伙 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版的电话号码分成区号。亲戚亲戚大伙 把同一地区的电话号码以及对应的人名记录同通有有5个小本子上。再用有有5个上级本子记录区号和各个小本子的对应关系。导致 某个区号比较慢使用,比较慢亲戚亲戚大伙 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开头的虚拟地址段比较慢使用,相应的二级表就不前要地处。正是通过这名手段,多层分页表地处的空间要比单层分页表少了好多好多 。

多层分页表还有原先优势。单层分页表前要地处于连续的内存空间。而多层分页表的二级表,后能 散步于内存的不同位置。原先话语,操作系统就后能 利用零碎空间来存储分页表。还前要注意的是,这里比较复杂了多层分页表的好多好多 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好多好多 。不过,多层分页表的基本原理都有相同。

综上,亲戚亲戚大伙 了解了内存以页为单位的管理法律最好的办法。在分页的基础上,虚拟内存和物理内存实现了分离,从而让内核角度参与和监督内存分配。程序运行运行的安全性和稳定性而且 大为提高。

欢迎阅读“骑着企鹅采树莓”系列文章