研究一下linux內(nèi)存管理

過去的一周有點(diǎn)魔幻，有印象的有三個(gè)新聞：天貓總裁緋聞事件，蘑菇街裁員，不可能打工的周某也放出來了。三件事，兩件和互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)相關(guān)，好像外面的世界很是精彩?。〕怨蠚w吃瓜，學(xué)習(xí)還是不能落下。

連續(xù)寫了兩周的「微服務(wù)」有點(diǎn)膩，不過這個(gè)系列還會(huì)繼續(xù)寫。今天來帶大家研究一下Linux內(nèi)存管理。

對(duì)于精通CURD的業(yè)務(wù)同學(xué)，內(nèi)存管理好像離我們很遠(yuǎn)，但這個(gè)知識(shí)點(diǎn)雖然冷門（估計(jì)很多人學(xué)完根本就沒機(jī)會(huì)用上）但絕對(duì)是基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)。

這就像武俠小說中的內(nèi)功修煉，學(xué)完之后看不到立竿見影的效果，但對(duì)你日后的開發(fā)工作是大有裨益的，因?yàn)槟阏镜母吡恕?/p>

文中所有示例圖都是我親手畫的，畫圖比碼字還費(fèi)時(shí)間，但大家看圖理解比文字更直觀，所以還是畫了。需要高清示例圖片的同學(xué)，文末有獲取方式自取。

再功利點(diǎn)的說，面試的時(shí)候不經(jīng)意間透露你懂這方面知識(shí)，并且能說出個(gè)一二三來，也許能讓面試官對(duì)你更有興趣，離升職加薪，走上人生巔峰又近了一步。

前提約定：本文討論技術(shù)內(nèi)容前提，操作系統(tǒng)環(huán)境都是x86架構(gòu)的 32 位Linux系統(tǒng)。

虛擬地址

即使是現(xiàn)代操作系統(tǒng)中，內(nèi)存依然是計(jì)算機(jī)中很寶貴的資源，看看你電腦幾個(gè)T固態(tài)硬盤，再看看內(nèi)存大小就知道了。

為了充分利用和管理系統(tǒng)內(nèi)存資源，Linux采用虛擬內(nèi)存管理技術(shù)，利用虛擬內(nèi)存技術(shù)讓每個(gè)進(jìn)程都有4GB互不干涉的虛擬地址空間。

進(jìn)程初始化分配和操作的都是基于這個(gè)「虛擬地址」，只有當(dāng)進(jìn)程需要實(shí)際訪問內(nèi)存資源的時(shí)候才會(huì)建立虛擬地址和物理地址的映射，調(diào)入物理內(nèi)存頁(yè)。

打個(gè)不是很恰當(dāng)?shù)谋确?，這個(gè)原理其實(shí)和現(xiàn)在的某某網(wǎng)盤一樣。假如你的網(wǎng)盤空間是1TB，真以為就一口氣給了你這么大空間嗎？那還是太年輕，都是在你往里面放東西的時(shí)候才給你分配空間，你放多少就分多少實(shí)際空間給你，但你和你朋友看起來就像大家都擁有1TB空間一樣。

虛擬地址的好處

避免用戶直接訪問物理內(nèi)存地址，防止一些破壞性操作，保護(hù)操作系統(tǒng)

每個(gè)進(jìn)程都被分配了4GB的虛擬內(nèi)存，用戶程序可使用比實(shí)際物理內(nèi)存更大的地址空間

4GB的進(jìn)程虛擬地址空間被分成兩部分：「用戶空間」和「內(nèi)核空間」

用戶空間內(nèi)核空間

物理地址

上面章節(jié)我們已經(jīng)知道不管是用戶空間還是內(nèi)核空間，使用的地址都是虛擬地址，當(dāng)需進(jìn)程要實(shí)際訪問內(nèi)存的時(shí)候，會(huì)由內(nèi)核的「請(qǐng)求分頁(yè)機(jī)制」產(chǎn)生「缺頁(yè)異?！拐{(diào)入物理內(nèi)存頁(yè)。

把虛擬地址轉(zhuǎn)換成內(nèi)存的物理地址，這中間涉及利用MMU內(nèi)存管理單元（Memory Management Unit ) 對(duì)虛擬地址分段和分頁(yè)（段頁(yè)式）地址轉(zhuǎn)換，關(guān)于分段和分頁(yè)的具體流程，這里不再贅述，可以參考任何一本計(jì)算機(jī)組成原理教材描述。

段頁(yè)式內(nèi)存管理地址轉(zhuǎn)換

Linux內(nèi)核會(huì)將物理內(nèi)存分為3個(gè)管理區(qū)，分別是：

ZONE_DMA

DMA內(nèi)存區(qū)域。包含0MB~16MB之間的內(nèi)存頁(yè)框，可以由老式基于ISA的設(shè)備通過DMA使用，直接映射到內(nèi)核的地址空間。

ZONE_NORMAL

普通內(nèi)存區(qū)域。包含16MB~896MB之間的內(nèi)存頁(yè)框，常規(guī)頁(yè)框，直接映射到內(nèi)核的地址空間。

ZONE_HIGHMEM

高端內(nèi)存區(qū)域。包含896MB以上的內(nèi)存頁(yè)框，不進(jìn)行直接映射，可以通過永久映射和臨時(shí)映射進(jìn)行這部分內(nèi)存頁(yè)框的訪問。

物理內(nèi)存區(qū)劃分

用戶空間

用戶進(jìn)程能訪問的是「用戶空間」，每個(gè)進(jìn)程都有自己獨(dú)立的用戶空間，虛擬地址范圍從從0x00000000至0xBFFFFFFF總?cè)萘?G 。

用戶進(jìn)程通常只能訪問用戶空間的虛擬地址，只有在執(zhí)行內(nèi)陷操作或系統(tǒng)調(diào)用時(shí)才能訪問內(nèi)核空間。

進(jìn)程與內(nèi)存

進(jìn)程（執(zhí)行的程序）占用的用戶空間按照「 訪問屬性一致的地址空間存放在一起 」的原則，劃分成5個(gè)不同的內(nèi)存區(qū)域。訪問屬性指的是“可讀、可寫、可執(zhí)行等 。

代碼段

代碼段是用來存放可執(zhí)行文件的操作指令，可執(zhí)行程序在內(nèi)存中的鏡像。代碼段需要防止在運(yùn)行時(shí)被非法修改，所以只準(zhǔn)許讀取操作，它是不可寫的。

數(shù)據(jù)段

數(shù)據(jù)段用來存放可執(zhí)行文件中已初始化全局變量，換句話說就是存放程序靜態(tài)分配的變量和全局變量。

BSS段

BSS段包含了程序中未初始化的全局變量，在內(nèi)存中bss段全部置零。

堆heap

堆是用于存放進(jìn)程運(yùn)行中被動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存段，它的大小并不固定，可動(dòng)態(tài)擴(kuò)張或縮減。當(dāng)進(jìn)程調(diào)用malloc等函數(shù)分配內(nèi)存時(shí)，新分配的內(nèi)存就被動(dòng)態(tài)添加到堆上（堆被擴(kuò)張）；當(dāng)利用free等函數(shù)釋放內(nèi)存時(shí)，被釋放的內(nèi)存從堆中被剔除（堆被縮減）

棧stack

棧是用戶存放程序臨時(shí)創(chuàng)建的局部變量，也就是函數(shù)中定義的變量（但不包括static聲明的變量，static意味著在數(shù)據(jù)段中存放變量）。除此以外，在函數(shù)被調(diào)用時(shí)，其參數(shù)也會(huì)被壓入發(fā)起調(diào)用的進(jìn)程棧中，并且待到調(diào)用結(jié)束后，函數(shù)的返回值也會(huì)被存放回棧中。由于棧的先進(jìn)先出特點(diǎn)，所以棧特別方便用來保存/恢復(fù)調(diào)用現(xiàn)場(chǎng)。從這個(gè)意義上講，我們可以把堆?？闯梢粋€(gè)寄存、交換臨時(shí)數(shù)據(jù)的內(nèi)存區(qū)。

上述幾種內(nèi)存區(qū)域中數(shù)據(jù)段、BSS段、堆通常是被連續(xù)存儲(chǔ)在內(nèi)存中，在位置上是連續(xù)的，而代碼段和棧往往會(huì)被獨(dú)立存放。堆和棧兩個(gè)區(qū)域在i386體系結(jié)構(gòu)中棧向下擴(kuò)展、堆向上擴(kuò)展，相對(duì)而生。

你也可以在linux下用size命令查看編譯后程序的各個(gè)內(nèi)存區(qū)域大?。?/p>

[lemon ~]# size /usr/local/sbin/sshd text data bss dec hexfilename1924532 12412 4268962363840 2411c0/usr/local/sbin/sshd

內(nèi)核空間

在x86 32位系統(tǒng)里，Linux 內(nèi)核地址空間是指虛擬地址從0xC0000000開始到0xFFFFFFFF為止的高端內(nèi)存地址空間，總計(jì)1G的容量， 包括了內(nèi)核鏡像、物理頁(yè)面表、驅(qū)動(dòng)程序等運(yùn)行在內(nèi)核空間 。

內(nèi)核空間細(xì)分區(qū)域.

直接映射區(qū)

直接映射區(qū)Direct Memory Region：從內(nèi)核空間起始地址開始，最大896M的內(nèi)核空間地址區(qū)間，為直接內(nèi)存映射區(qū)。

直接映射區(qū)的896MB的「線性地址」直接與「物理地址」的前896MB進(jìn)行映射，也就是說線性地址和分配的物理地址都是連續(xù)的。內(nèi)核地址空間的線性地址0xC0000001所對(duì)應(yīng)的物理地址為0x00000001，它們之間相差一個(gè)偏移量PAGE_OFFSET = 0xC0000000

該區(qū)域的線性地址和物理地址存在線性轉(zhuǎn)換關(guān)系「線性地址 =PAGE_OFFSET+ 物理地址」也可以用virt_to_phys()函數(shù)將內(nèi)核虛擬空間中的線性地址轉(zhuǎn)化為物理地址。

高端內(nèi)存線性地址空間

內(nèi)核空間線性地址從 896M 到 1G 的區(qū)間，容量 128MB 的地址區(qū)間是高端內(nèi)存線性地址空間，為什么叫高端內(nèi)存線性地址空間？下面給你解釋一下：

前面已經(jīng)說過，內(nèi)核空間的總大小 1GB，從內(nèi)核空間起始地址開始的 896MB 的線性地址可以直接映射到物理地址大小為 896MB 的地址區(qū)間。

退一萬(wàn)步，即使內(nèi)核空間的1GB線性地址都映射到物理地址，那也最多只能尋址 1GB 大小的物理內(nèi)存地址范圍。

請(qǐng)問你現(xiàn)在你家的內(nèi)存條多大？快醒醒都 0202 年了，一般 PC 的內(nèi)存都大于 1GB 了吧！

所以，內(nèi)核空間拿出了最后的 128M 地址區(qū)間，劃分成下面三個(gè)高端內(nèi)存映射區(qū)，以達(dá)到對(duì)整個(gè)物理地址范圍的尋址。而在 64 位的系統(tǒng)上就不存在這樣的問題了，因?yàn)榭捎玫木€性地址空間遠(yuǎn)大于可安裝的內(nèi)存。

動(dòng)態(tài)內(nèi)存映射區(qū)

vmalloc Region該區(qū)域由內(nèi)核函數(shù)vmalloc來分配，特點(diǎn)是：線性空間連續(xù)，但是對(duì)應(yīng)的物理地址空間不一定連續(xù)。vmalloc分配的線性地址所對(duì)應(yīng)的物理頁(yè)可能處于低端內(nèi)存，也可能處于高端內(nèi)存。

永久內(nèi)存映射區(qū)

Persistent Kernel Mapping Region該區(qū)域可訪問高端內(nèi)存。訪問方法是使用alloc_page (_GFP_HIGHMEM)分配高端內(nèi)存頁(yè)或者使用kmap函數(shù)將分配到的高端內(nèi)存映射到該區(qū)域。

固定映射區(qū)

Fixing kernel Mapping Region該區(qū)域和 4G 的頂端只有 4k 的隔離帶，其每個(gè)地址項(xiàng)都服務(wù)于特定的用途，如ACPI_BASE等。

內(nèi)核空間物理內(nèi)存映射

回顧一下

上面講的有點(diǎn)多，先別著急進(jìn)入下一節(jié)，在這之前我們?cè)賮砘仡櫼幌律厦嫠v的內(nèi)容。如果認(rèn)真看完上面的章節(jié)，我這里再畫了一張圖，現(xiàn)在你的腦海中應(yīng)該有這樣一個(gè)內(nèi)存管理的全局圖。

內(nèi)核空間用戶空間全圖

內(nèi)存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

要讓內(nèi)核管理系統(tǒng)中的虛擬內(nèi)存，必然要從中抽象出內(nèi)存管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，內(nèi)存管理操作如「分配、釋放等」都基于這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)操作，這里列舉兩個(gè)管理虛擬內(nèi)存區(qū)域的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

用戶空間內(nèi)存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在前面「進(jìn)程與內(nèi)存」章節(jié)我們提到，Linux進(jìn)程可以劃分為 5 個(gè)不同的內(nèi)存區(qū)域，分別是：代碼段、數(shù)據(jù)段、BSS、堆、棧，內(nèi)核管理這些區(qū)域的方式是，將這些內(nèi)存區(qū)域抽象成vm_area_struct的內(nèi)存管理對(duì)象。

vm_area_struct是描述進(jìn)程地址空間的基本管理單元，一個(gè)進(jìn)程往往需要多個(gè)vm_area_struct來描述它的用戶空間虛擬地址，需要使用「鏈表」和「紅黑樹」來組織各個(gè)vm_area_struct。

鏈表用于需要遍歷全部節(jié)點(diǎn)的時(shí)候用，而紅黑樹適用于在地址空間中定位特定內(nèi)存區(qū)域。內(nèi)核為了內(nèi)存區(qū)域上的各種不同操作都能獲得高性能，所以同時(shí)使用了這兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

用戶空間進(jìn)程的地址管理模型：

wm_arem_struct

內(nèi)核空間動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在內(nèi)核空間章節(jié)我們提到過「動(dòng)態(tài)內(nèi)存映射區(qū)」，該區(qū)域由內(nèi)核函數(shù)vmalloc來分配，特點(diǎn)是：線性空間連續(xù)，但是對(duì)應(yīng)的物理地址空間不一定連續(xù)。vmalloc分配的線性地址所對(duì)應(yīng)的物理頁(yè)可能處于低端內(nèi)存，也可能處于高端內(nèi)存。

vmalloc分配的地址則限于vmalloc_start與vmalloc_end之間。每一塊vmalloc分配的內(nèi)核虛擬內(nèi)存都對(duì)應(yīng)一個(gè)vm_struct結(jié)構(gòu)體，不同的內(nèi)核空間虛擬地址之間有4k大小的防越界空閑區(qū)間隔區(qū)。

與用戶空間的虛擬地址特性一樣，這些虛擬地址與物理內(nèi)存沒有簡(jiǎn)單的映射關(guān)系，必須通過內(nèi)核頁(yè)表才可轉(zhuǎn)換為物理地址或物理頁(yè)，它們有可能尚未被映射，當(dāng)發(fā)生缺頁(yè)時(shí)才真正分配物理頁(yè)面。

動(dòng)態(tài)內(nèi)存映射

總結(jié)一下

Linux內(nèi)存管理是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，本文所述只是冰山一角，從宏觀角度給你展現(xiàn)內(nèi)存管理的全貌，但一般來說，這些知識(shí)在你和面試官聊天的時(shí)候還是夠用的，當(dāng)然也希望大家能夠通過讀書了解更深層次的原理。

本文可以作為一個(gè)索引一樣的學(xué)習(xí)指南，當(dāng)你想深入某一點(diǎn)學(xué)習(xí)的時(shí)候可以在這些章節(jié)里找到切入點(diǎn)，以及這個(gè)知識(shí)點(diǎn)在內(nèi)存管理宏觀上的位置。