學(xué)習(xí)嵌入式Linux內(nèi)存管理的知識(shí)

這個(gè)內(nèi)存管理的知識(shí)點(diǎn)還真的需要我們專門的去理解一下，今天大家一起來(lái)學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)嵌入式Linux內(nèi)存管理的知識(shí)。

1.不涉及l(fā)inux內(nèi)核的匯編知識(shí)，僅C語(yǔ)言層面解析

1.回答：匯編主要處理的是寄存器地址(包括內(nèi)容)的計(jì)算，進(jìn)行一部分的地址轉(zhuǎn)換工作(當(dāng)然，它是重要的);C語(yǔ)言處理了極大部分的系統(tǒng)內(nèi)存管理工作。

2.虛擬地址、線性地址、物理地址三者映射關(guān)系

回答：

1.虛擬地址：程序員(在縮小范圍估計(jì)是：應(yīng)用程序員)直接看到的

2.線性地址：操作系統(tǒng)控制

3.物理地址：CPU內(nèi)存地址(或者外部?jī)?nèi)存)

3.總結(jié)一點(diǎn)：虛擬地址通過(guò)段管理機(jī)制首先變換成一種中間地址形式--cpu32位的線性地址，然后使用分頁(yè)管理機(jī)制將此地址映射到物理地址。

例子解析：

一個(gè)變量定義在一個(gè)進(jìn)程里面，在程序中使用&操作符獲取的地址(估計(jì)是偏移地址)，將怎么映射呢?(或者它是什么地址，在進(jìn)程中的位置如何)

1. 回答：因?yàn)?，程序使用的都是虛擬地址，所以程序員拿到的變量地址是虛擬地址(它是經(jīng)過(guò)編譯器處理過(guò)的，并由系統(tǒng)指映射線性地址，分配物理內(nèi)存的)。

2. 同時(shí)，一個(gè)變量的地址(虛擬地址)是不會(huì)改變的(只要程序代碼不改變，或者不在編譯)，但是，改變運(yùn)行(不同的時(shí)間，相隔一段時(shí)間在運(yùn)行的話)，物理地址是會(huì)改變的。正是因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)的內(nèi)存管理作用(線性地址映射到物理地址，是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程)。

malloc函數(shù)從調(diào)用、分配到返回的過(guò)程是?

1. 回答：函數(shù)調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)，系統(tǒng)函數(shù)進(jìn)入了內(nèi)核態(tài)，引起中斷(或其他，異常處理等工作)，操作系統(tǒng)得知需要額外的增長(zhǎng)空間以提供使用，所以使用分頁(yè)機(jī)制來(lái)映射到可以使用的物理地址(沒(méi)有有用數(shù)據(jù)，或不被映射)，從而使得虛擬地址有了真實(shí)的物理地址映射管理，可以正常使用了。

2. malloc實(shí)際上，并不是用戶調(diào)用malloc后馬上對(duì)物理地址與虛擬地址之間進(jìn)行映射，只有在用戶對(duì)申請(qǐng)的內(nèi)存空間進(jìn)行讀寫異常操作才會(huì)發(fā)生映射。(具體看《注釋》的13.1.6需求加載機(jī)制)，總結(jié)一句：在實(shí)際需要時(shí)才加載執(zhí)行文件中頁(yè)面的方式。

頁(yè)表和頁(yè)目錄表存放位置(所處的系統(tǒng)空間)是?

1. 回答：系統(tǒng)初始化過(guò)程中，主動(dòng)往物理內(nèi)存填寫頁(yè)表信息。這就是我們操作系統(tǒng)需要做的事情，填寫和修改表的程序代碼的編寫。

線性地址轉(zhuǎn)物理地址是誰(shuí)來(lái)做呢?

1. 回答：設(shè)置好頁(yè)表信息后，CPU每次訪問(wèn)內(nèi)存都通過(guò)MMU來(lái)查表并轉(zhuǎn)換出物理地址。是硬件自動(dòng)操作。

所謂的內(nèi)存(物理內(nèi)存，或物理地址，或物理空間)是指?

1. 回答：就是內(nèi)存，RAM(rw)，而磁盤(或者是其他的硬盤性質(zhì)的存儲(chǔ)介質(zhì))是作為程序或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的空間，它并不參與到與CPU的指令(數(shù)據(jù))傳輸，而是先將它自己的數(shù)據(jù)放到內(nèi)存(也就是RAM，物理內(nèi)存里面)，再由內(nèi)存和CPU之間處理。

只是作為一個(gè)例子，讓我們假定您的程序正在訪問(wèn)地址為 629 的內(nèi)存。不過(guò)，虛擬內(nèi)存系統(tǒng)不需要將其存儲(chǔ)在位置為 629 的 RAM 中。實(shí)際上，它甚至可以不在 RAM 中 —— 如果物理 RAM 已經(jīng)滿了，它甚至可能已經(jīng)被轉(zhuǎn)移到硬盤上!由于這類地址不必反映內(nèi)存所在的物理位置，所以它們被稱為虛擬內(nèi)存。操作系統(tǒng)維持著一個(gè)虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換的表，以便計(jì)算機(jī)硬件可以正確地響應(yīng)地址請(qǐng)求。嵌入式物聯(lián)網(wǎng)等系統(tǒng)學(xué)習(xí)請(qǐng)加企鵝意義氣嗚嗚吧久零就易，并且，如果地址在硬盤上而不是在RAM 中，那么操作系統(tǒng)將暫時(shí)停止您的進(jìn)程，將其他內(nèi)存轉(zhuǎn)存到硬盤中，從硬盤上加載被請(qǐng)求的內(nèi)存， 然后再重新啟動(dòng)您的進(jìn)程。這樣，每個(gè)進(jìn)程都獲得了自己可以使用的地址空間，可以訪問(wèn)比您物理上安裝的內(nèi)存更多的內(nèi)存。

一個(gè)進(jìn)程被創(chuàng)建，linux系統(tǒng)肯定是分配給他一個(gè)0的虛擬地址?

回答：對(duì)的，每個(gè)進(jìn)程空間的0x00虛擬地址開(kāi)始的線性區(qū)都會(huì)被映射到一個(gè)用戶態(tài)沒(méi)有權(quán)限訪問(wèn)的頁(yè)上，通過(guò)這樣的映射，內(nèi)核可以保證沒(méi)有別的頁(yè)會(huì)映射到這個(gè)區(qū)域。

如同IBM：內(nèi)存管理的內(nèi)幕提及到的，malloc內(nèi)部的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)，也就是實(shí)現(xiàn)malloc的內(nèi)部算法

1. 在mallo從內(nèi)部使用映射函數(shù)(系統(tǒng)調(diào)用)，brk()和mmap()：鏈接1

為什么進(jìn)程創(chuàng)建后，子進(jìn)程會(huì)繼承父進(jìn)程的一部分信息呢?

1. 回答：子進(jìn)程實(shí)際上的父進(jìn)程的一個(gè)拷貝，共同擁有相同的物理頁(yè)面，為了節(jié)約空間，子進(jìn)程以只讀方式共享父進(jìn)程的物理頁(yè)面(同時(shí)父進(jìn)程也把它自己設(shè)置為只讀方式)，任意一方進(jìn)行寫操作，就會(huì)出現(xiàn)異常(之后就是內(nèi)核處理異常)。總結(jié)一句：這樣可以避免不必要的內(nèi)存頁(yè)面復(fù)制的開(kāi)銷。

對(duì)CPU的內(nèi)存管理(MMU)和linux系統(tǒng)的內(nèi)存管理兩者的理解：

上面的一段話，其實(shí)是告訴我們：在CPU提供MMU的情況下(也就是分段、分頁(yè)機(jī)制)，首先是分段機(jī)制做第一步的虛擬地址到線性地址轉(zhuǎn)換，然后由操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)(這就是意味著linux系統(tǒng)會(huì)有大量的內(nèi)存管理代碼的實(shí)現(xiàn)方法)分頁(yè)機(jī)制(同時(shí)選擇CPU某一引腳來(lái)決定是否采用分頁(yè)機(jī)制)，直到進(jìn)程的虛擬地址映射到可用的物理地址上面。

這意味著，從虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換情況如下：

至于虛擬內(nèi)存的哪個(gè)頁(yè)面映射到物理內(nèi)存的哪個(gè)頁(yè)幀，這是通過(guò)頁(yè)表(Page Table)來(lái)描述的，頁(yè)表保存在物理內(nèi)存中，MMU會(huì)查找頁(yè)表來(lái)確定一個(gè)虛擬地址應(yīng)該映射到什么物理地址?？偨Y(jié)一下這個(gè)過(guò)程：

1. 在操作系統(tǒng)初始化或者分配、釋放內(nèi)存時(shí)，會(huì)執(zhí)行一些指令在物理內(nèi)存中填寫頁(yè)表，然后用指令設(shè)置MMU，告訴MMU頁(yè)表在物理內(nèi)存中的什么位置。

2. 設(shè)置好之后， CPU每次執(zhí)行訪問(wèn)內(nèi)存的指令都會(huì)自動(dòng)引發(fā)MMU做查表和地址轉(zhuǎn)換的操作，地址轉(zhuǎn)換操作完全由硬件完成，不需要用指令控制MMU去做。

MMU除了提供地址轉(zhuǎn)換機(jī)制之外，還提供內(nèi)存保護(hù)機(jī)制，解析如下：

1. 用戶模式和特權(quán)(也就是內(nèi)核)模式的區(qū)分

2. 設(shè)置每個(gè)內(nèi)存頁(yè)面的訪問(wèn)權(quán)限(讀、寫、執(zhí)行)

1. 注意：物理內(nèi)存本身是不限制訪問(wèn)的，正是MMU的內(nèi)存保護(hù)機(jī)制的作用

具體的處理過(guò)程如下：

這樣設(shè)定好之后，當(dāng)CPU要訪問(wèn)一個(gè)VA時(shí)， MMU會(huì)檢查CPU當(dāng)前處于用戶模式還是特權(quán)模式，訪問(wèn)內(nèi)存的目的是讀數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)還是取指令，如果和操作系統(tǒng)設(shè)定的頁(yè)面權(quán)限相符，就允許訪問(wèn)，把它轉(zhuǎn)換成PA，否則不允許訪問(wèn)，產(chǎn)生一個(gè)異常(Exception)。