Linux的内存分页管理

  • 时间:
  • 浏览:1
  • 来源:大发时时彩官网_哪里可以玩大发时时彩_大发时时彩在哪里玩

作者:Vamei 出处:http://www.cnblogs.com/vamei 严禁转载

内存是计算机的主存储器。内存为进程开辟出进程空间,让进程在其中保存数据。我将从内存的物理底部形态出发,深入到内存管理的细节,一阵一阵是了解虚拟内存和内存分页的概念。

内存

简单地说,内存本来一一一三个多数据货架。内存有一一一三个多最小的存储单位,大多数就有一一一三个多字节。内存用内存地址(memory address)来为每个字节的数据顺序编号。刚刚 ,内存地址说明了数据在内存中的位置。内存地址从0刚开始,每次增加1。這個线性增加的存储器地址称为线性地址(linear address)。为了方便,大家用十六进制数来表示内存地址,比如0x00000003、0x1A010CB0。这里的“0x”用来表示十六进制。“0x”顶端跟着的,本来作为内存地址的十六进制数。

内存地址的编号有上限。地址空间的范围和地址总线(address bus)的位数直接相关。CPU通过地址总线来向内存说明愿意存取数据的地址。以英特尔32位的500386型CPU为例,这款CPU有3一一三个多针脚时要传输地址信息。每个针脚对应了一位。将会针脚上是高电压,可不还还后能 也能 這個位是1。将会是低电压,可不还还后能 也能 這個位是0。32位的电压高低信息通过地址总线传到内存的3一一三个多针脚,内存就能把电压高低信息转加进32位的二进制数,从而知道CPU愿意的是哪个位置的数据。用十六进制表示,32位地址空间本来从0x00000000 到0xFFFFFFFF。

内存的存储单元采用了随机读取存储器(RAM, Random Access Memory)。所谓的“随机读取”,是指存储器的读取时间和数据所在位置无关。与之相对,什么都存储器的读取时间和数据所在位置有关。就拿磁带来说,大家想听其中的一首歌,时要转动带子。将会那首歌是第一首,可不还还后能 也能 立即就时要播放。将会那首歌恰巧是最后一首,大家快进到时要播放的位置就时要花很长时间。大家将会知道,进程时要调用内存中不同位置的数据。将会数据读取时间和位置相关句子,计算机就好难把控进程的运行时间。刚刚 ,随机读取的底部形态是内存成为主存储器的关键因素。

内存提供的存储空间,除了能满足内核的运行需求,还通常能支持运行中的进程。即使进程所需空间超过内存空间,内存空间也时要通过几瓶拓展来弥补。换句话说,内存的存储能力,和计算机运行情況的数据总量相当。内存的缺点是可不还还后能 持久地保存数据。一旦断电,内存中的数据就会消失。刚刚 ,计算机即使有了内存曾经 一一一三个多主存储器,还是时要硬盘曾经 的内部存储器来提供持久的储存空间。

虚拟内存

内存的一项主要任务,本来存储进程的相关数据。大家刚刚将会看完过进程空间的进程段、全局数据、栈和堆,以及哪几种哪几种存储底部形态在进程运行中所起到的关键作用。有趣的是,尽管进程和内存的关系可不还还后能 也能 紧密,但进程过多能直接访问内存。在Linux下,进程可不还还后能 直接读写内存中地址为0x1位置的数据。进程中能访问的地址,可不还还后能 也能 是虚拟内存地址(virtual memory address)。操作系统会把虚拟内存地址翻译成真实的内存地址。這個内存管理最好的法律法律依据 ,称为虚拟内存(virtual memory)。

每个进程就有刚刚 人的一套虚拟内存地址,用来给刚刚 人的进程空间编号。进程空间的数据同样以字节为单位,依次增加。从功能上说,虚拟内存地址和物理内存地址类事,就有为数据提供位置索引。进程的虚拟内存地址相互独立。刚刚 ,一一三个进程空间时要有相同的虚拟内存地址,如0x5000050000。虚拟内存地址和物理内存地址又有一定的对应关系,如图1所示。对进程某个虚拟内存地址的操作,会被CPU翻译成对某个具体内存地址的操作。

图1 虚拟内存地址和物理内存地址的对应

应用进程来说对物理内存地址一无所知。它只将会通过虚拟内存地址来进行数据读写。进程中表达的内存地址,也就有虚拟内存地址。进程对虚拟内存地址的操作,会被操作系统翻译成对某个物理内存地址的操作。将会翻译的过程由操作系统全权负责,什么都应用进程时要在全过程中对物理内存地址一无所知。刚刚 ,C进程中表达的内存地址,就有虚拟内存地址。比如在C语言中,时要用下面指令来打印变量地址:

int v = 0;
printf("%p", (void*)&v);

本质上说,虚拟内存地址剥夺了应用进程自由访问物理内存地址的权利。进程对物理内存的访问,时要经过操作系统的审查。刚刚 ,掌握着内存对应关系的操作系统,也掌握了应用进程访问内存的闸门。借助虚拟内存地址,操作系统时要保障进程空间的独立性。刚刚操作系统把一一三个进程的进程空间对应到不同的内存区域,刚刚一一三个进程空间成为“老死不相往来”的一一三个多小王国。一一三个进程就不将会相互篡改对方的数据,进程出错的将会性就大为减少。

刚刚 人面,有了虚拟内存地址,内存共享也变得简单。操作系统时要把同一物理内存区域对应到多个进程空间。曾经 ,不时要任何的数据克隆好友,多个进程就时要看完相同的数据。内核和共享库的映射,本来通过這個最好的法律法律依据 进行的。每个进程空间中,最初一累积的虚拟内存地址,都对应到物理内存中预留给内核的空间。曾经 ,所有的进程就时要共享同一套内核数据。共享库的情況也是类事。对于任何一一一三个多共享库,计算机只时要往物理内存中加载一次,就时要通过操纵对应关系,来让多个进程并肩使用。IPO中的共享内存,就有赖于虚拟内存地址。

内存分页

虚拟内存地址和物理内存地址的分离,给进程带来便利性和安全性。但虚拟内存地址和物理内存地址的翻译,又会额外耗费计算机资源。在多任务的现代计算机中,虚拟内存地址将会成为必备的设计。可不还还后能 也能 ,操作系统时要要考虑清楚,怎么才能 才能 能高效地翻译虚拟内存地址。

记录对应关系最简单的最好的法律法律依据 ,本来把对应关系记录在一张表中。为了让翻译速率单位足够地快,這個表时要加载在内存中。不过,這個记录最好的法律法律依据 惊人地浪费。将会树莓派1GB物理内存的每个字节就有一一一三个多对应记录句子,可不还还后能 也能 光是对应关系就要远远超过内存的空间。将会对应关系的条目众多,搜索到一一一三个多对应关系所需的时间也很长。曾经 句子,会让树莓派陷入瘫痪。

刚刚 ,Linux采用了分页(paging)的最好的法律法律依据 来记录对应关系。所谓的分页,本来以更大尺寸的单位页(page)来管理内存。在Linux中,通常每页大小为4KB。将会愿意获取当前树莓派的内存页大小,时要使用命令:

得到结果,即内存分页的字节数:

4096

返回的4096代表每个内存页时要存放4096个字节,即4KB。Linux把物理内存和进程空间都分割成页。

内存分页,时要极大地减少所要记录的内存对应关系。大家将会看完,以字节为单位的对应记录实在过多。将会把物理内存和进程空间的地址都分成页,内核只时要记录页的对应关系,相关的工作量就会大为减少。将会每页的大小是每个字节的5000倍。刚刚 ,内存中的总页数本来总字节数的四千分之一。对应关系也缩减为原始策略的四千分之一。分页让虚拟内存地址的设计有了实现的将会。

无论是虚拟页,还是物理页,一页之内的地址就有连续的。曾经 句子,一一一三个多虚拟页和一一一三个多物理页对应起来,页内的数据就时要按顺序一一对应。这因为着分析,虚拟内存地址和物理内存地址的末尾累积应该完整版相同。大多数情況下,每一页有4096个字节。将会4096是2的12次方,什么都地址最后12位的对应关系天然植物成立。大家把地址的這個累积称为偏移量(offset)。偏移量实际上表达了该字节在页内的位置。地址的前一累积则是页编号。操作系统只时要记录页编号的对应关系。



图2 地址翻译过程

多级分页表

内存分页制度的关键,在于管理进程空间页和物理页的对应关系。操作系统把对应关系记录在分页表(page table)中。這個对应关系让上层的抽象内存和下层的物理内存分离,从而让Linux能灵活地进行内存管理。将会每个进程会有一套虚拟内存地址,可不还还后能 也能 每个进程就有有一一一三个多分页表。为了保证查询速率单位,分页表也会保位于内存中。分页表有什么都种实现最好的法律法律依据 ,最简单的本身分页表本来把所有的对应关系记录到同一一一三个多线性列表中,即如图2中的“对应关系”累积所示。

這個单一的连续分页表,时要给每一一一三个多虚拟页预留一根记录的位置。但对于任何一一一三个多应用进程,其进程空间真正用到的地址都相当有限。大家还记得,进程空间会有栈和堆。进程空间为栈和堆的增长预留了地址,但栈和堆很少会占满进程空间。这因为着分析,将会使用连续分页表,什么都条目都可不还还后能 也能 真正用到。刚刚 ,Linux中的分页表,采用了多层的数据底部形态。多层的分页表也能减少所需的空间。

大家来看一一一三个多繁复的分页设计,用以说明Linux的多层分页表。大家把地址分为了页编号和偏移量两累积,用单层的分页表记录页编号累积的对应关系。对于多层分页表来说,会进一步分割页编号为一一三个多或更多的累积,刚刚 用两层或更多层的分页表来记录其对应关系,如图3所示。



图3 多层分页表



在图3的例子中,页编号分成了两级。第一级对应了前8位页编号,用一一三个多十六进制数字表示。第二级对应了后12位页编号,用八个十六进制编号。二级表记录有对应的物理页,即保存了真正的分页记录。二级表有什么都张,每个二级表分页记录对应的虚拟地址前8位都相同。比如二级表0x00,顶端记录的前8位就有0x00。翻译地址的过程要跨越两级。大家先取地址的前8位,在一级表中找到对应记录。该记录会真不知道们,目标二级表在内存中的位置。大家再在二级表中,通过虚拟地址的后12位,找到分页记录,从而最终找到物理地址。

多层分页表就好像把完整版的电话号码分成区号。大家把同一地区的电话号码以及对应的人名记录同通一一一三个多小本子上。再用一一一三个多上级本子记录区号和各个小本子的对应关系。将会某个区号可不还还后能 也能 使用,可不还还后能 也能 大家只时要在上级本子上把该区号标记为空。同样,一级分页表中0x01记录为空,说明了以0x01开头的虚拟地址段可不还还后能 也能 使用,相应的二级表就不时要位于。正是通过這個手段,多层分页表位于的空间要比单层分页表少了什么都。

多层分页表还有曾经 优势。单层分页表时要位于于连续的内存空间。而多层分页表的二级表,时要散步于内存的不同位置。曾经 句子,操作系统就时要利用零碎空间来存储分页表。还时要注意的是,这里繁复了多层分页表的什么都细节。最新Linux系统中的分页表多达3层,管理的内存地址也比本章介绍的长什么都。不过,多层分页表的基本原理就有相同。

综上,大家了解了内存以页为单位的管理最好的法律法律依据 。在分页的基础上,虚拟内存和物理内存实现了分离,从而让内核高度参与和监督内存分配。应用进程的安全性和稳定性刚刚 大为提高。

欢迎阅读“骑着企鹅采树莓”系列文章