Linux內核學習之四-內存管理

時間 2019-11-07

標籤 linux 內核學習之四內存管理欄目 Linux 简体版

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1、虛擬存儲器

內存管理最基礎的概念，恐怕是虛擬存儲器（Virtual Memory，簡稱VM）了，它是計算機系統（注意我沒寫操做系統，由於其中還有部分硬件功能）在物理存儲之上的一套機制。它將物理地址（Physical Address，簡稱PA）轉換爲虛擬地址（Virtual Address，簡稱VA），來訪問存儲。正是由於有了虛擬存儲器，纔有了後面的內存轉換、頁表等機制。html

看到這裏我就有疑問了，有了物理地址，程序已經能定位到內存塊而且使用了，爲何須要有虛擬地址？node

實際上，若是隻有一個程序在內存中運行，沒有虛擬存儲問題也不大，好比DOS（又提到它了！），並且聽說DOS確實是沒有虛擬存儲機制的。可是當有了多進程以後，問題就出現了：多個進程共同使用一整個物理內存，既不安全也不方便，好比A用了0xb7001008，結果B無法知道，而後也用了它，豈不是亂套了？linux

爲了解決這個問題，就有了虛擬存儲機制。對於每一個進程來講，它的虛擬地址空間老是同樣的，可是實際使用的物理內存是分開的，並且它也不知道究竟是在使用虛擬地址，仍是物理地址，反正用就對了！這樣子既簡化了程序開發，又增長了安全性，真是很是巧妙的設計！git

總結一下，虛擬存儲的最大做用就是隔離與抽象。github

2、地址轉換的實現

爲了瞭解地址的轉換，咱們必須引入「頁」（page）的概念。其實頁就是一塊連續的內存，這也是操做系統利用內存的最小單位。更直觀一點的說，在Linux裏，它是這麼實現的：安全

struct page{
    //保存狀態
    unsigned long flags;
    //引用計數
    atomic_t _count;
    atomic_t _mapcount;
    unsigned long private;
    struct address_space *mapping;
    pgoff_t index;
    struct list_head lru;
    //指向虛擬地址
    void *virtual;
}

page結構體保存對應頁的引用數、虛擬地址等信息。由於這個結構自己也是消耗內存的，因此一頁的大小過小，那麼還要存page結構，就有不少內存浪費了，很不划算。若是頁大小太大，常常會出現一個頁裝不滿的狀況，也是咱們不肯看到的。在32位CPU裏，一頁是4KB。數據結構

有了頁的知識，地址轉換就能夠進行了。在看這部分以前，不妨先想一想，若是讓咱們實現一套地址轉換，會怎麼作？app

彷佛這沒有什麼難度啊？能夠分兩部分，你看我僞代碼都寫好了：ide

保存虛擬地址到物理地址的映射關係函數
```
page_table={virtual_address:physical_address}
```
在程序中使用指針訪問物理地址的時候，對其進行轉換
```
physical_address=page_table[virtual_address]
```

是否是很是簡單？

實際上目前的計算機系統作的方式也差很少。可是區別是，由於這兩個操做很是頻繁，光靠軟件實現性能未必有那麼好，因此這兩部分有了一些硬件上的優化。

把VA轉換爲PA的事情，由CPU裏一個專門的部件來完成，它叫作「內存管理單元」（Memory Management Unit，簡稱MMU）。

保存地址映射關係的部件，叫作頁表（Page Table），它是保存在內存中的，由操做系統維護。可是訪問一次內存還要查一次內存，這事感受不太科學，因此MMU還會維護一份用過的頁表索引，這就是傳說中的TLB（Translation Lookaside Buffer，也叫轉換備用緩衝區，咱們學校的孫鍾秀院士在他的教材中將其翻譯爲「快表」）。

因此最後的流程是：

操做系統新建進程時，爲進程分配內存空間，並更新頁表；
該進程的指令到CPU以前，其中的虛擬地址，會觸發MMU轉換流程；
MMU先到TLB中找頁表，找不到再去物理內存中找頁表，最後轉換爲物理地址，遞給CPU執行。

這其實也是一個操做系統反過來影響CPU設計的案例，這也說明，其實硬件跟系統分界並非死的，好比有些CPU的指令集也會包括一些高等的操做，理論上越底層越快，因此到底放在哪一層，主要取決於這個機制的價值和通用性。

至此地址轉換算是差很少了，操做系統和MMU握了個手，合做愉快！

PS：在有些嵌入式CPU上沒有MMU，就確實是軟件來完成地址轉換。不過如今帶有MMU的CPU愈來愈多了！

3、Linux中的內存管理

Linux中內存分配相關的代碼在kernal/page_alloc.c中，其中核心的函數是struct page * __alloc_pages_nodemask(gfp_t gfp_mask, unsigned int order, struct zonelist *zonelist, nodemask_t *nodemask)。我對能看懂的代碼作了註釋，大部分都沒看懂，等所有都研究一遍以後再來細細研究吧…

Linux內存管理中還有不少細節，羅列幾個，作個備忘。

分區（zone）

Linux將內存分爲幾個區：ZONE_DMA、ZONE_NORMAL和ZONE_HIGHEN。DMA（Direct Memory Access）是一種IO直接操做內存的技術，有些硬件只能用特定地址的內存來進行DMA，對這種內存須要標記一下。
NUMA

NUMA（Non-Uniform Memory Access Architecture）是相對於UMA（Uniform Memory Access Architecture）來講的。UMA就是指多處理器共享一片內存，而NUMA則反其道行之，將CPU綁定到一些內存中，從而加快速度。聽說在多於八核的處理器中效果明顯。
slab

slab這部分LKD講的並很差，有些繞彎（也多是翻譯很差吧），而後我搜到不少資料，大體連描述都照樣複製，我也不知道是否是我智商過低，弄不懂，仍是做者只是作了個摘抄，反正對於這些技術文章只能呵呵了。

其實slab解決了什麼問題呢？咱們知道在內核裏有些數據結構是很經常使用的，例如inode，這些數據結構會頻繁初始化和銷燬。可是初始化數據結構是有開銷的啊，更好的辦法是把它存下來，而後下次建立的時候，直接拿一個現成的，改改內容，就能夠用了！slab又譯做「板坯」，這樣子是否是好理解一點呢？

在實現上，slab會爲一類對象開闢一段空間，存儲多個這樣的對象，而後建立和銷燬，其實只是在這片空間裏指針移動一下的事情了！咱們其實能夠叫它「對象池」或者「結構池」吧！slab的代碼實如今LKD中有很是詳細的描述，再也不贅述了。