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需要了解linux的内存管理

2019年10月11日 文章来源:网络整理 热度:114℃ 作者:刘英

一 为什么需要使用虚拟内存

    大家都知道,进程需要使用的代码和数据都放在内存中,比放在外存中要快很多。问题是内存空间太小了,不能满足进程的需求,而且现在都是多进程,情况更加糟糕。所以提出了虚拟内存,使得每个进程用于3G的独立用户内存空间和共享的1G内核内存空间。(每个进程都有自己的页表,才使得3G用户空间的独立)这样进程运行的速度必然很快了。而且虚拟内存机制还解决了内存碎片和内存不连续的问题。为什么可以在有限的物理内存上达到这样的效果呢?

二 虚拟内存的实现机制

    首先呢,提一个概念,交换空间(swap space),这个大家应该不陌生,在重装系统的时候,会让你选择磁盘分区,就比如说一个硬盘分几个部分去管理。其中就会分一部分磁盘空间用作交换,叫做swap space。其实就是一段临时存储空间,内存不够用的时候就用它了,虽然它也在磁盘中,但省去了很多的查找时间啊。当发生进程切换的时候,内存与交换空间就要发生数据交换一满足需求。所以啊,进程的切换消耗是很大的,这也说明了为什么自旋锁比信号量效率高的原因。

    那么我们的程序里申请的内存的时候,linux内核其实只分配一个虚拟内存( 线性地址),并没有分配实际的物理内存。只有当程序真正使用这块内存时,才会分配物理内存。这就叫做延迟分配和请页机制。释放内存时,先释放线性区对应的物理内存,然后释放线性区;"请页机制"将物理内存的分配延后了,这样是充分利用了程序的局部性原来,节约内存空间,提高系统吞吐;就是说一个函数可能只在物理内存中呆了一会,用完了就被清除出去了,虽然在虚拟地址空间还在。(不过虚拟地址空间不是事实上的存储,所以只能说这个函数占据了一段虚拟地址空间,当你访问这段地址时,就会产生缺页处理,从交换区把对应的代码搬到物理内存上来)

三 物理内存与虚拟内存的布局

需要了解linux的内存管理

左边是物理地址分配,与实际的CPU相关。4KB的这些都是一些控制器所占有,比如lcdc sd卡,他们的寄存器地址就是这样定死的。但是呢,我们要访问这些寄存器的时候,还是不能直接用,要使用内存管理的规则,使用虚拟地址去访问它,所以在驱动等内核程序中需要使用虚拟地址访问寄存器。如果有人直接使用物理地址访问寄存器,那么唯一的解释就是没有开mmu。不过这样你的进程就没有4G内存可以用了。

物理地址分布:

需要了解linux的内存管理

这是偷的别人的图啦,物理地址有896M直接映射到虚拟地址的内存空间,这是一一对应的映射,只有起始地址不一样,偏移是一样的。这个大小大多是固定的,哪怕你的内存超过一个G,太小了就另外说了。注意:用户区的代码也是放在这段物理地址里面的,就是说物理地址可以进行二次映射。但不管怎么样,这段物理地址都是受内核管理。当你内存很大的时候,超过896M时,剩余的那些内存怎么办呢?这多出来的叫做高端内存,如果你使用vmalloc申请空间,就会在高端内存中分配,如果你使用kmalloc申请空间,就会在小于896的内存中分配。所以还是很讲究的啊!!如果你的程序需要使用高端内存,就要调用内核API来分配,所以高端内存并不是想用就能用的哦。不过通过系统把一些应用常住在高端内存到是个好注意。不过前提是你的内存灰常大啊。

为什么要这样做呢?先看看这里面放些什么?

需要了解linux的内存管理

虚拟地址分布:

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关于0-3G用户空间内存的分布:

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谈到段式分布,就要说说逻辑地址,线性地址与物理地址的关系:

需要了解linux的内存管理

linux通过段机制把逻辑地址转换为虚拟地址(就是线性地址),再通过页机制把虚拟地址转换为物理地址。所谓分段就是基址不同,偏移一样,比如说32位,一般程序里面都不会使用这么多的位,可以把前12位用作基址,后20位用作偏移,这样在特定段就可以只使用偏移寻址了。寻址很方便,不过linux页基址做的更好。

最后呢再说几个点:

1 线性地址空间:指linux系统中的虚拟地址空间。

2 cpu寻址是属于物理地址。所以在使用cpu寻址前要把地址转换好。

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