Linux內(nèi)核的內(nèi)存管理詳解

內(nèi)存管理的主要工作就是對(duì)物理內(nèi)存進(jìn)行組織，然后對(duì)物理內(nèi)存的分配和回收。但是Linux引入了虛擬地址的概念。

虛擬地址的作用

如果用戶進(jìn)程直接操作物理地址會(huì)有以下的壞處：

1、 用戶進(jìn)程可以直接操作內(nèi)核對(duì)應(yīng)的內(nèi)存，破壞內(nèi)核運(yùn)行。

2、 用戶進(jìn)程也會(huì)破壞其他進(jìn)程的運(yùn)行

CPU 中寄存器中存儲(chǔ)的是邏輯地址，需要進(jìn)行映射才能轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的物理地址，然后獲取對(duì)應(yīng)的內(nèi)存。

通過(guò)引入邏輯地址，每個(gè)進(jìn)程都擁有單獨(dú)的邏輯地址范圍。

當(dāng)進(jìn)程申請(qǐng)內(nèi)存的時(shí)候，會(huì)為其分配邏輯地址和物理地址，并將邏輯地址和物理地址做一個(gè)映射。

所以，Linux內(nèi)存管理涉及到了以下三個(gè)部分：

1、物理內(nèi)存

物理內(nèi)存的組織

Linux 中內(nèi)存分為 3 個(gè)級(jí)別，從下到上依次為：

1、Page：?一個(gè) page 的大小為?4k?， Page 是內(nèi)存的一個(gè)最基本的單位。

2、Zone：?Zone 中提供了多個(gè)隊(duì)列來(lái)管理 page。

Zone分為 3 種

2.1、 ZONE_DMA：用來(lái)存放 DMA 讀取 IO 設(shè)備的數(shù)據(jù)，內(nèi)核專用

2.2、 ZONE_NORMAL：用來(lái)存放內(nèi)核的相關(guān)數(shù)據(jù)，內(nèi)核專用

2.3、 ZONE_HIGHMEM：高端內(nèi)存，用來(lái)存放用戶進(jìn)程數(shù)據(jù)

3、Node 節(jié)點(diǎn)，一個(gè) CPU 對(duì)應(yīng)著一個(gè) Node，一個(gè) Node 包括一個(gè) Zone_DMA、 ZONE_NORMAL、ZONE_HIGHMEM。

同時(shí)當(dāng)一個(gè) CPU 對(duì)應(yīng)的內(nèi)存用光后，可以申請(qǐng)其他 CPU 對(duì)應(yīng)的內(nèi)存。

物理內(nèi)存的分配

Linux將內(nèi)存分配分為兩種：

1、大內(nèi)存

大內(nèi)存?利用伙伴系統(tǒng)?分配。

伙伴系統(tǒng)的做法是將 ZONE 中的 Page 分組，然后組裝為多個(gè)鏈表。鏈表中存放的是?頁(yè)塊?的集合。頁(yè)塊對(duì)應(yīng)著有不同的大小，分別為 1、2、4、8 … 1024個(gè)頁(yè)。

當(dāng)請(qǐng)求 (2i-1 ,2i] 大小的 page 的時(shí)候，會(huì)直接請(qǐng)求 2i 個(gè)頁(yè)， 如果對(duì)應(yīng)的鏈表中有對(duì)應(yīng)的頁(yè)塊，就直接分配。如果對(duì)應(yīng)的鏈表沒(méi)有，就往上找 2i+1，如果 2i+1 存在，就將其分為 2 個(gè) 2i 頁(yè)塊，將其中 1 個(gè) 2i 加入到對(duì)應(yīng)的鏈表中，將另外一個(gè)分配出去。

例如，要請(qǐng)求一個(gè) 128 個(gè)頁(yè)的頁(yè)塊時(shí)，先檢查 128 個(gè)頁(yè)的頁(yè)塊鏈表是否有空閑塊。如果沒(méi)有，則查 256 個(gè)

的頁(yè)塊鏈表；如果有空閑塊的話，則將 256 個(gè)頁(yè)的頁(yè)塊分成兩份，一份使用，一份插入 128 個(gè)頁(yè)的頁(yè)塊鏈表中。如果還是沒(méi)有，就查 512 個(gè)頁(yè)的頁(yè)塊鏈表；如果有的話，就分裂為 128、128、256 三個(gè)頁(yè)塊，一個(gè) 128 的使用，剩余兩個(gè)插入對(duì)應(yīng)頁(yè)塊鏈表。

2、小內(nèi)存分配

小內(nèi)存分配利用?slub?分配，比如對(duì)象等數(shù)據(jù) slub 就是 將幾個(gè)頁(yè)單獨(dú)拎出來(lái)作為緩存，里面維護(hù)了鏈表。每次直接從鏈表中獲取對(duì)應(yīng)的內(nèi)存，用完之后也不用清空，就直接掛到鏈表上，然后等待下次利用。

2、如何組織虛擬地址

虛擬地址對(duì)應(yīng)的是虛擬空間，虛擬空間只不過(guò)是一個(gè)虛擬地址的集合，用來(lái)映射物理內(nèi)存。

虛擬空間分為?用戶態(tài)?和?內(nèi)核態(tài)?。

32位系統(tǒng)中?將虛擬空間按照 1:3 的比例分配給?內(nèi)核態(tài)?和?用戶態(tài)。

64位系統(tǒng)中?分別給 內(nèi)核態(tài) 和 用戶態(tài) 分配了 128T。

用戶態(tài)結(jié)構(gòu)

每個(gè)進(jìn)程 都會(huì) 對(duì)應(yīng)一個(gè) 用戶態(tài)虛擬空間， 里面存放了 Text（代碼）的內(nèi)存虛擬地址范圍、 Data（數(shù)據(jù)）的內(nèi)存虛擬地址范圍、BSS（全局變量）的內(nèi)存虛擬地址范圍、堆的虛擬地址范圍、棧的虛擬地址范圍，以及mmap 內(nèi)存映射區(qū)。

其中 mmap 用于申請(qǐng)動(dòng)態(tài)內(nèi)存的時(shí)候的映射，堆和棧都是動(dòng)態(tài)變化的。

一個(gè)進(jìn)程對(duì)應(yīng)的用戶態(tài)中的 各個(gè)方面的虛擬地址信息都通過(guò)一個(gè) struct 來(lái)存儲(chǔ)在內(nèi)存中，當(dāng)創(chuàng)建進(jìn)程的時(shí)候會(huì)為其分配內(nèi)存存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)的虛擬地址信息。

內(nèi)核態(tài)結(jié)構(gòu)

Linux 的內(nèi)核程序共用一個(gè)內(nèi)核態(tài)虛擬空間。其中分為了以下幾部分：

1、直接映射區(qū)

896M，內(nèi)核空間直接映射到對(duì)應(yīng)的ZONE_DMA和ZONE_NORMAL中。為什么叫做直接映射呢？邏輯地址 直接 減去對(duì)應(yīng)的差值就可以得到對(duì)應(yīng)的物理地址。固定死了。

2、動(dòng)態(tài)映射

為什么要引入動(dòng)態(tài)映射呢？因?yàn)樗形锢韮?nèi)存的分配都需要內(nèi)核程序進(jìn)行申請(qǐng)，用戶進(jìn)程沒(méi)有這個(gè)權(quán)限。所以內(nèi)核空間一定要能映射到所有的物理內(nèi)存地址。

那么如果都采用直接映射的話，1G大小邏輯地址的內(nèi)核空間只能映射1G大小的物理內(nèi)存。

所以引入了動(dòng)態(tài)映射，動(dòng)態(tài)映射就是 內(nèi)核空間的邏輯地址可以映射到 物理內(nèi)存中的ZONE_HIGHMEM（高端內(nèi)存）中的任何一個(gè)地址，并且在對(duì)應(yīng)的物理內(nèi)存使用完之后，可以再映射其他物理內(nèi)存地址。

動(dòng)態(tài)映射分為三種：

1、動(dòng)態(tài)內(nèi)存映射：?使用完對(duì)應(yīng)的物理內(nèi)存后，就可以映射其他物理內(nèi)存了。

2、永久內(nèi)存映射：?一個(gè)虛擬地址只能映射一個(gè)物理地址。如果需要映射其他物理地址，需要解綁。

3、固定內(nèi)存映射：?只能被某些特定的函數(shù)來(lái)調(diào)用引用物理地址。

動(dòng)態(tài)內(nèi)存映射和直接映射的區(qū)別

動(dòng)態(tài)映射和直接映射的區(qū)別就是邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)化規(guī)則。

直接映射

直接映射的規(guī)則是死的，一個(gè)邏輯地址對(duì)應(yīng)的物理地址是固定的。通過(guò)邏輯地址加或者減去一個(gè)數(shù)，就可以得到對(duì)應(yīng)的物理地址。

動(dòng)態(tài)映射

動(dòng)態(tài)映射是動(dòng)態(tài)的綁定，每個(gè)邏輯地址對(duì)應(yīng)的物理地址是動(dòng)態(tài)的，通過(guò)頁(yè)表進(jìn)行查詢。

用戶空間映射：

用戶空間采用?動(dòng)態(tài)映射?，每個(gè)虛擬地址可以被映射到一個(gè)物理地址，映射到ZONE_HIGHMEM。

為什么用戶空間不采用直接映射呢？

因?yàn)槲锢韮?nèi)存是多個(gè)進(jìn)程所有的，每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)用戶空間。如果采用直接映射的話，對(duì)應(yīng)的物理地址是會(huì)沖突的。其用戶空間的邏輯地址大小都為 3G，所以存在邏輯地址相同，但是對(duì)應(yīng)的物理地址不同。需要通過(guò)頁(yè)表來(lái)轉(zhuǎn)化，一個(gè)進(jìn)程會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)頁(yè)表。

3、如何將虛擬地址映射到物理內(nèi)存

虛擬地址通過(guò)?頁(yè)表?將?虛擬地址?轉(zhuǎn)化為?物理地址，?每個(gè)進(jìn)程都對(duì)應(yīng)著一個(gè)頁(yè)表，?內(nèi)核只有一個(gè)頁(yè)表。

虛擬空間 和 物理內(nèi)存 都按照 4k 來(lái)分頁(yè)，一個(gè)虛擬空間中的頁(yè) 和 物理內(nèi)存中頁(yè) 是 一一對(duì)應(yīng)的。

頁(yè)表映射

如上圖所示，將虛擬地址中的頁(yè)號(hào) 通過(guò)頁(yè)表轉(zhuǎn)化為 對(duì)應(yīng)的物理頁(yè)號(hào)，然后通過(guò)頁(yè)內(nèi)偏移量 就可以得到對(duì)應(yīng)的 物理地址了。

但是 1 個(gè)進(jìn)程就需要一個(gè)頁(yè)表，一個(gè) 4G 的內(nèi)存條，就需要 1M 個(gè)頁(yè)表記錄來(lái)描述，假如 1 個(gè) 頁(yè)表記錄需要 4個(gè)字節(jié)，那么就需要 4MB。而且頁(yè)表記錄是通過(guò)下標(biāo)來(lái)對(duì)應(yīng)的，通過(guò)虛擬頁(yè)號(hào)來(lái)乘以對(duì)應(yīng)的頁(yè)表項(xiàng)大小來(lái)計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的地址的。

所以 Linux 將 4M 分為 1K 個(gè) 4K， 一個(gè) 4K 對(duì)應(yīng)著一個(gè) page，用來(lái)存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)的真正的頁(yè)表記錄。將 1K 個(gè) page 分開(kāi)存放，就不要求連續(xù)的 4M 了。

如果將 4M 分成 1K 個(gè)離散的 page 的話，怎么虛擬地址對(duì)應(yīng)的頁(yè)表號(hào)呢？

利用指針，存儲(chǔ) 1K 個(gè)地址，分別指向這 1K 個(gè) page， 地址的大小為 4 個(gè)字節(jié)，也就是32位，完全可以表示整個(gè)內(nèi)存的地址范圍。

1K * 4個(gè)字節(jié)，正好是一個(gè) page 4k，所以 也就是利用 1 個(gè) page來(lái)存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)的頁(yè)表記錄索引。

所以 我們的虛擬地址尋找過(guò)程如下：

1、找到對(duì)應(yīng)的頁(yè)表記錄索引位置，因?yàn)橛?1K 個(gè)索引，所以用 10 位就可以表示了

2、通過(guò)索引可以找到對(duì)應(yīng)的真正的頁(yè)表地址，對(duì)應(yīng)的有 1K 個(gè)頁(yè)表記錄，所以用 10 位就可以表示了

3、1個(gè)頁(yè)有 4K，通過(guò) 12 位就可以表示其頁(yè)內(nèi)偏移量了。

所以虛擬地址被分為了三部分：

1、10位 表示索引偏移

2、10位 表示頁(yè)表記錄偏移

3、 12位 表示頁(yè)內(nèi)偏移

雖然這種方式增加了索引項(xiàng)，進(jìn)一步增加了內(nèi)存，但是減少了連續(xù)內(nèi)存的使用，通過(guò)離散的內(nèi)存就可以存儲(chǔ)頁(yè)表。

這是對(duì)于32位系統(tǒng)，而 64 位系統(tǒng)采用了5級(jí)頁(yè)表。

映射流程圖

用戶態(tài)申請(qǐng)內(nèi)存時(shí)，只會(huì)申請(qǐng)對(duì)應(yīng)的虛擬地址，不會(huì)直接為其分配物理內(nèi)存，而是等到真正訪問(wèn)內(nèi)存的時(shí)候，產(chǎn)生缺頁(yè)中斷，然后內(nèi)核才會(huì)為其分配，然后為其建立映射，也就是建立對(duì)應(yīng)的頁(yè)表項(xiàng)。

TLB

TLB 就是一個(gè)緩存，放在 CPU 中。用來(lái)將虛擬地址和對(duì)應(yīng)的物理地址進(jìn)行緩存。當(dāng)查詢對(duì)應(yīng)的物理地址的時(shí)候，首先查詢 TLB，如果TLB中存在對(duì)應(yīng)的記錄，就直接返回。如果不存在，就再去查詢頁(yè)表。

虛擬內(nèi)存

虛擬內(nèi)存?指的是 將硬盤(pán)中劃出一段 swap 分區(qū) 當(dāng)作 虛擬的內(nèi)存，用來(lái)存放內(nèi)存中暫時(shí)用不到的內(nèi)存頁(yè)，等到需要的時(shí)候再?gòu)?swap 分區(qū)中 將對(duì)應(yīng)的內(nèi)存頁(yè)調(diào)入到 內(nèi)存中。硬盤(pán)此時(shí)相當(dāng)于一個(gè)虛擬的內(nèi)存。

從邏輯上能夠運(yùn)行更大內(nèi)存的程序，因?yàn)槌绦蜻\(yùn)行的時(shí)候并不需要把所有數(shù)據(jù)都加載到內(nèi)存中，只需要將當(dāng)前運(yùn)行必要的相關(guān)程序和數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存中就可以了，當(dāng)需要其他數(shù)據(jù)和程序的時(shí)候，再將其調(diào)入。

相較于真正的內(nèi)存加載，虛擬內(nèi)存需要將數(shù)據(jù)在內(nèi)存和磁盤(pán)中不斷切換，這是一個(gè)耗時(shí)的操作，所以速度比不上真正的內(nèi)存加載。

總結(jié)

虛擬空間 和 物理內(nèi)存 都分為 內(nèi)核空間 和 用戶空間。

虛擬地址需要通過(guò)頁(yè)表轉(zhuǎn)化為物理地址，然后才能訪問(wèn)。

用戶虛擬空間 只能映射 物理內(nèi)存中的用戶內(nèi)存，無(wú)法映射到物理內(nèi)存中的內(nèi)核內(nèi)存，也就是說(shuō)，用戶進(jìn)程只能操作用戶內(nèi)存。

內(nèi)核空間 只能被 內(nèi)核 申請(qǐng)使用，用戶進(jìn)程只能操作用戶空間的物理內(nèi)存和虛擬空間。

當(dāng)用戶進(jìn)程 調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用的時(shí)候，會(huì)將其對(duì)應(yīng)的代碼和數(shù)據(jù)運(yùn)行在內(nèi)核空間中。

所以當(dāng)調(diào)用 內(nèi)核空間 讀取文件或者網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的時(shí)候，首先會(huì)將數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)存空間，然后在將數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間拷貝到用戶空間。因?yàn)?用戶進(jìn)程不能訪問(wèn)內(nèi)核空間。

審核編輯：湯梓紅

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