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      關(guān)于Linux虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存的介紹

      時(shí)間: 曉斌668 分享

        有網(wǎng)友說(shuō)Linux的內(nèi)存與Windows的內(nèi)存有區(qū)別吧?針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,學(xué)習(xí)啦小編就給大家整理了相關(guān)文章給大家普及下關(guān)于Linux 虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存的理解。

        關(guān)于Linux 虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存的理解。

        首先,讓我們看下虛擬內(nèi)存

        第一層理解

        1. 每個(gè)進(jìn)程都有自己獨(dú)立的4G內(nèi)存空間,各個(gè)進(jìn)程的內(nèi)存空間具有類(lèi)似的結(jié)構(gòu)

        2. 一個(gè)新進(jìn)程建立的時(shí)候,將會(huì)建立起自己的內(nèi)存空間,此進(jìn)程的數(shù)據(jù),代碼等從磁盤(pán)拷貝到自己的進(jìn)程空間,哪些數(shù)據(jù)在哪里,都由進(jìn)程控制表中的task_struct記錄,task_struct中記錄中一條鏈表,記錄中內(nèi)存空間的分配情況,哪些地址有數(shù)據(jù),哪些地址無(wú)數(shù)據(jù),哪些可讀,哪些可寫(xiě),都可以通過(guò)這個(gè)鏈表記錄

        3. 每個(gè)進(jìn)程已經(jīng)分配的內(nèi)存空間,都與對(duì)應(yīng)的磁盤(pán)空間映射

        問(wèn)題:

        計(jì)算機(jī)明明沒(méi)有那么多內(nèi)存(n個(gè)進(jìn)程的話就需要n*4G)內(nèi)存

        建立一個(gè)進(jìn)程,就要把磁盤(pán)上的程序文件拷貝到進(jìn)程對(duì)應(yīng)的內(nèi)存中去,對(duì)于一個(gè)程序?qū)?yīng)的多個(gè)進(jìn)程這種情況,浪費(fèi)內(nèi)存!

        第二層理解

        1. 每個(gè)進(jìn)程的4G內(nèi)存空間只是虛擬內(nèi)存空間,每次訪問(wèn)內(nèi)存空間的某個(gè)地址,都需要把地址翻譯為實(shí)際物理內(nèi)存地址

        2. 所有進(jìn)程共享同一物理內(nèi)存,每個(gè)進(jìn)程只把自己目前需要的虛擬內(nèi)存空間映射并存儲(chǔ)到物理內(nèi)存上。

        3. 進(jìn)程要知道哪些內(nèi)存地址上的數(shù)據(jù)在物理內(nèi)存上,哪些不在,還有在物理內(nèi)存上的哪里,需要用頁(yè)表來(lái)記錄

        4.頁(yè)表的每一個(gè)表項(xiàng)分兩部分,第一部分記錄此頁(yè)是否在物理內(nèi)存上,第二部分記錄物理內(nèi)存頁(yè)的地址(如果在的話)

        5. 當(dāng)進(jìn)程訪問(wèn)某個(gè)虛擬地址,去看頁(yè)表,如果發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)不在物理內(nèi)存中,則缺頁(yè)異常

        6.缺頁(yè)異常的處理過(guò)程,就是把進(jìn)程需要的數(shù)據(jù)從磁盤(pán)上拷貝到物理內(nèi)存中,如果內(nèi)存已經(jīng)滿了,沒(méi)有空地方了,那就找一個(gè)頁(yè)覆蓋,當(dāng)然如果被覆蓋的頁(yè)曾經(jīng)被修改過(guò),需要將此頁(yè)寫(xiě)回磁盤(pán)

        總結(jié)

        優(yōu)點(diǎn):

        1.既然每個(gè)進(jìn)程的內(nèi)存空間都是一致而且固定的,所以鏈接器在鏈接可執(zhí)行文件時(shí),可以設(shè)定內(nèi)存地址,而不用去管這些數(shù)據(jù)最終實(shí)際的內(nèi)存地址,這是有獨(dú)立內(nèi)存空間的好處

        2.當(dāng)不同的進(jìn)程使用同樣的代碼時(shí),比如庫(kù)文件中的代碼,物理內(nèi)存中可以只存儲(chǔ)一份這樣的代碼,不同的進(jìn)程只需要把自己的虛擬內(nèi)存映射過(guò)去就可以了,節(jié)省內(nèi)存

        3.在程序需要分配連續(xù)的內(nèi)存空間的時(shí)候,只需要在虛擬內(nèi)存空間分配連續(xù)空間,而不需要實(shí)際物理內(nèi)存的連續(xù)空間,可以利用碎片。

        另外,事實(shí)上,在每個(gè)進(jìn)程創(chuàng)建加載時(shí),內(nèi)核只是為進(jìn)程“創(chuàng)建”了虛擬內(nèi)存的布局,具體就是初始化進(jìn)程控制表中內(nèi)存相關(guān)的鏈表,實(shí)際上并不立即就把虛擬內(nèi)存對(duì)應(yīng)位置的程序數(shù)據(jù)和代碼(比如.text .data段)拷貝到物理內(nèi)存中,只是建立好虛擬內(nèi)存和磁盤(pán)文件之間的映射就好(叫做存儲(chǔ)器映射),等到運(yùn)行到對(duì)應(yīng)的程序時(shí),才會(huì)通過(guò)缺頁(yè)異常,來(lái)拷貝數(shù)據(jù)。還有進(jìn)程運(yùn)行過(guò)程中,要?jiǎng)討B(tài)分配內(nèi)存,比如malloc時(shí),也只是分配了虛擬內(nèi)存,即為這塊虛擬內(nèi)存對(duì)應(yīng)的頁(yè)表項(xiàng)做相應(yīng)設(shè)置,當(dāng)進(jìn)程真正訪問(wèn)到此數(shù)據(jù)時(shí),才引發(fā)缺頁(yè)異常。

        補(bǔ)充理解:

        虛擬存儲(chǔ)器涉及三個(gè)概念: 虛擬存儲(chǔ)空間,磁盤(pán)空間,內(nèi)存空間

        可以認(rèn)為虛擬空間都被映射到了磁盤(pán)空間中,(事實(shí)上也是按需要映射到磁盤(pán)空間上,通過(guò)mmap),并且由頁(yè)表記錄映射位置,當(dāng)訪問(wèn)到某個(gè)地址的時(shí)候,通過(guò)頁(yè)表中的有效位,可以得知此數(shù)據(jù)是否在內(nèi)存中,如果不是,則通過(guò)缺頁(yè)異常,將磁盤(pán)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)存中,如果沒(méi)有空閑內(nèi)存,則選擇犧牲頁(yè)面,替換其他頁(yè)面。

        mmap是用來(lái)建立從虛擬空間到磁盤(pán)空間的映射的,可以將一個(gè)虛擬空間地址映射到一個(gè)磁盤(pán)文件上,當(dāng)不設(shè)置這個(gè)地址時(shí),則由系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)置,函數(shù)返回對(duì)應(yīng)的內(nèi)存地址(虛擬地址),當(dāng)訪問(wèn)這個(gè)地址的時(shí)候,就需要把磁盤(pán)上的內(nèi)容拷貝到內(nèi)存了,然后就可以讀或者寫(xiě),最后通過(guò)manmap可以將內(nèi)存上的數(shù)據(jù)換回到磁盤(pán),也就是解除虛擬空間和內(nèi)存空間的映射,這也是一種讀寫(xiě)磁盤(pán)文件的方法,也是一種進(jìn)程共享數(shù)據(jù)的方法 共享內(nèi)存

        接下來(lái)我們來(lái)討論下物理內(nèi)存

        在內(nèi)核態(tài)申請(qǐng)內(nèi)存比在用戶(hù)態(tài)申請(qǐng)內(nèi)存要更為直接,它沒(méi)有采用用戶(hù)態(tài)那種延遲分配內(nèi)存技術(shù)。內(nèi)核認(rèn)為一旦有內(nèi)核函數(shù)申請(qǐng)內(nèi)存,那么就必須立刻滿足該申請(qǐng)內(nèi)存的請(qǐng)求,并且這個(gè)請(qǐng)求一定是正確合理的。相反,對(duì)于用戶(hù)態(tài)申請(qǐng)內(nèi)存的請(qǐng)求,內(nèi)核總是盡量延后分配物理內(nèi)存,用戶(hù)進(jìn)程總是先獲得一個(gè)虛擬內(nèi)存區(qū)的使用權(quán),最終通過(guò)缺頁(yè)異常獲得一塊真正的物理內(nèi)存。

        1.物理內(nèi)存的內(nèi)核映射

        IA32架構(gòu)中內(nèi)核虛擬地址空間只有1GB大小(從3GB到4GB),因此可以直接將1GB大小的物理內(nèi)存(即常規(guī)內(nèi)存)映射到內(nèi)核地址空間,但超出1GB大小的物理內(nèi)存(即高端內(nèi)存)就不能映射到內(nèi)核空間。為此,內(nèi)核采取了下面的方法使得內(nèi)核可以使用所有的物理內(nèi)存。

        1).高端內(nèi)存不能全部映射到內(nèi)核空間,也就是說(shuō)這些物理內(nèi)存沒(méi)有對(duì)應(yīng)的線性地址。不過(guò),內(nèi)核為每個(gè)物理頁(yè)框都分配了對(duì)應(yīng)的頁(yè)框描述符,所有的頁(yè)框描述符都保存在mem_map數(shù)組中,因此每個(gè)頁(yè)框描述符的線性地址都是固定存在的。內(nèi)核此時(shí)可以使用alloc_pages()和alloc_page()來(lái)分配高端內(nèi)存,因?yàn)檫@些函數(shù)返回頁(yè)框描述符的線性地址。

        2).內(nèi)核地址空間的后128MB專(zhuān)門(mén)用于映射高端內(nèi)存,否則,沒(méi)有線性地址的高端內(nèi)存不能被內(nèi)核所訪問(wèn)。這些高端內(nèi)存的內(nèi)核映射顯然是暫時(shí)映射的,否則也只能映射128MB的高端內(nèi)存。當(dāng)內(nèi)核需要訪問(wèn)高端內(nèi)存時(shí)就臨時(shí)在這個(gè)區(qū)域進(jìn)行地址映射,使用完畢之后再用來(lái)進(jìn)行其他高端內(nèi)存的映射。

        由于要進(jìn)行高端內(nèi)存的內(nèi)核映射,因此直接能夠映射的物理內(nèi)存大小只有896MB,該值保存在high_memory中。內(nèi)核地址空間的線性地址區(qū)間如下圖所示:

        從圖中可以看出,內(nèi)核采用了三種機(jī)制將高端內(nèi)存映射到內(nèi)核空間:永久內(nèi)核映射,固定映射和vmalloc機(jī)制。

        2.物理內(nèi)存管理機(jī)制

        基于物理內(nèi)存在內(nèi)核空間中的映射原理,物理內(nèi)存的管理方式也有所不同。內(nèi)核中物理內(nèi)存的管理機(jī)制主要有伙伴算法,slab高速緩存和vmalloc機(jī)制。其中伙伴算法和slab高速緩存都在物理內(nèi)存映射區(qū)分配物理內(nèi)存,而vmalloc機(jī)制則在高端內(nèi)存映射區(qū)分配物理內(nèi)存。

        伙伴算法

        伙伴算法負(fù)責(zé)大塊連續(xù)物理內(nèi)存的分配和釋放,以頁(yè)框?yàn)榛締挝?。該機(jī)制可以避免外部碎片。

        per-CPU頁(yè)框高速緩存

        內(nèi)核經(jīng)常請(qǐng)求和釋放單個(gè)頁(yè)框,該緩存包含預(yù)先分配的頁(yè)框,用于滿足本地CPU發(fā)出的單一頁(yè)框請(qǐng)求。

        slab緩存

        slab緩存負(fù)責(zé)小塊物理內(nèi)存的分配,并且它也作為高速緩存,主要針對(duì)內(nèi)核中經(jīng)常分配并釋放的對(duì)象。

        vmalloc機(jī)制

        vmalloc機(jī)制使得內(nèi)核通過(guò)連續(xù)的線性地址來(lái)訪問(wèn)非連續(xù)的物理頁(yè)框,這樣可以最大限度的使用高端物理內(nèi)存。

        3.物理內(nèi)存的分配

        內(nèi)核發(fā)出內(nèi)存申請(qǐng)的請(qǐng)求時(shí),根據(jù)內(nèi)核函數(shù)調(diào)用接口將啟用不同的內(nèi)存分配器。

        3.1 分區(qū)頁(yè)框分配器

        分區(qū)頁(yè)框分配器 (zoned page frame allocator) ,處理對(duì)連續(xù)頁(yè)框的內(nèi)存分配請(qǐng)求。分區(qū)頁(yè)框管理器分為兩大部分:前端的管理區(qū)分配器和伙伴系統(tǒng),如下圖:

        管理區(qū)分配器負(fù)責(zé)搜索一個(gè)能滿足請(qǐng)求頁(yè)框塊大小的管理區(qū)。在每個(gè)管理區(qū)中,具體的頁(yè)框分配工作由伙伴系統(tǒng)負(fù)責(zé)。為了達(dá)到更好的系統(tǒng)性能,單個(gè)頁(yè)框的申請(qǐng)工作直接通過(guò)per-CPU頁(yè)框高速緩存完成。該分配器通過(guò)幾個(gè)函數(shù)和宏來(lái)請(qǐng)求頁(yè)框,它們之間的封裝關(guān)系如下圖所示。

        這些函數(shù)和宏將核心的分配函數(shù)__alloc_pages_nodemask()封裝,形成滿足不同分配需求的分配函數(shù)。其中,alloc_pages()系列函數(shù)返回物理內(nèi)存首頁(yè)框描述符,__get_free_pages()系列函數(shù)返回內(nèi)存的線性地址。 3.2 slab分配器

        slab 分配器最初是為了解決物理內(nèi)存的內(nèi)部碎片而提出的,它將內(nèi)核中常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)看做對(duì)象。slab分配器為每一種對(duì)象建立高速緩存。內(nèi)核對(duì)該對(duì)象的分配和釋放均是在這塊高速緩存中操作。一種對(duì)象的slab分配器結(jié)構(gòu)圖如下:

        可以看到每種對(duì)象的高速緩存是由若干個(gè)slab組成,每個(gè)slab是由若干個(gè)頁(yè)框組成的。雖然slab分配器可以分配比單個(gè)頁(yè)框更小的內(nèi)存塊,但它所需的所有內(nèi)存都是通過(guò)伙伴算法分配的。slab高速緩存分專(zhuān)用緩存和通用緩存。專(zhuān)用緩存是對(duì)特定的對(duì)象,比如為內(nèi)存描述符創(chuàng)建高速緩存。通用緩存則是針對(duì)一般情況,適合分配任意大小的物理內(nèi)存,其接口即為kmalloc()。 3.3 非連續(xù)內(nèi)存區(qū)內(nèi)存的分配

        內(nèi)核通過(guò)vmalloc()來(lái)申請(qǐng)非連續(xù)的物理內(nèi)存,若申請(qǐng)成功,該函數(shù)返回連續(xù)內(nèi)存區(qū)的起始地址,否則,返回NULL。vmalloc()和kmalloc()申請(qǐng)的內(nèi)存有所不同,kmalloc()所申請(qǐng)內(nèi)存的線性地址與物理地址都是連續(xù)的,而vmalloc()所申請(qǐng)的內(nèi)存線性地址連續(xù)而物理地址則是離散的,兩個(gè)地址之間通過(guò)內(nèi)核頁(yè)表進(jìn)行映射。
      vmalloc()的工作方式理解起來(lái)很簡(jiǎn)單:

        1).尋找一個(gè)新的連續(xù)線性地址空間;

        2).依次分配一組非連續(xù)的頁(yè)框;

        3).為線性地址空間和非連續(xù)頁(yè)框建立映射關(guān)系,即修改內(nèi)核頁(yè)表;

        vmalloc()的內(nèi)存分配原理與用戶(hù)態(tài)的內(nèi)存分配相似,都是通過(guò)連續(xù)的虛擬內(nèi)存來(lái)訪問(wèn)離散的物理內(nèi)存,并且虛擬地址和物理地址之間是通過(guò)頁(yè)表進(jìn)行連接的,通過(guò)這種方式可以有效的使用物理內(nèi)存。但是應(yīng)該注意的是,vmalloc()申請(qǐng)物理內(nèi)存時(shí)是立即分配的,因?yàn)閮?nèi)核認(rèn)為這��內(nèi)存分配請(qǐng)求是正當(dāng)而且緊急的;相反,用戶(hù)態(tài)有內(nèi)存請(qǐng)求時(shí),內(nèi)核總是盡可能的延后,畢竟用戶(hù)態(tài)跟內(nèi)核態(tài)不在一個(gè)特權(quán)級(jí)。

        總結(jié):學(xué)習(xí)啦小編推薦的文章就到這里了,大家都了解Linux的虛擬內(nèi)存與物理內(nèi)存了么

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