Linux操作系統(tǒng)知識(shí)講解：走進(jìn)Linux 內(nèi)存使用場(chǎng)景

內(nèi)存使用場(chǎng)景

out of memory 的時(shí)代過(guò)去了嗎？no，內(nèi)存再充足也不可任性使用。

1、內(nèi)存的使用場(chǎng)景

page 管理

slab（kmalloc、內(nèi)存池）

用戶態(tài)內(nèi)存使用（malloc、relloc 文件映射、共享內(nèi)存）

程序的內(nèi)存 map（棧、堆、code、data）

內(nèi)核和用戶態(tài)的數(shù)據(jù)傳遞（copy_from_user、copy_to_user）

內(nèi)存映射（硬件寄存器、保留內(nèi)存）

DMA 內(nèi)存

2、用戶態(tài)內(nèi)存分配函數(shù)

alloca 是向棧申請(qǐng)內(nèi)存，因此無(wú)需釋放

malloc 所分配的內(nèi)存空間未被初始化，使用 malloc（） 函數(shù)的程序開(kāi)始時(shí)（內(nèi)存空間還沒(méi)有被重新分配） 能正常運(yùn)行，但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后（內(nèi)存空間已被重新分配） 可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題

calloc 會(huì)將所分配的內(nèi)存空間中的每一位都初始化為零

realloc 擴(kuò)展現(xiàn)有內(nèi)存空間大小

a） 如果當(dāng)前連續(xù)內(nèi)存塊足夠 realloc 的話，只是將 p 所指向的空間擴(kuò)大，并返回 p 的指針地址。這個(gè)時(shí)候 q 和 p 指向的地址是一樣的

b） 如果當(dāng)前連續(xù)內(nèi)存塊不夠長(zhǎng)度，再找一個(gè)足夠長(zhǎng)的地方，分配一塊新的內(nèi)存，q，并將 p 指向的內(nèi)容 copy 到 q，返回 q。并將 p 所指向的內(nèi)存空間刪除

3、內(nèi)核態(tài)內(nèi)存分配函數(shù)

函數(shù)分配原理最大內(nèi)存其他_get_free_pages直接對(duì)頁(yè)框進(jìn)行操作4MB適用于分配較大量的連續(xù)物理內(nèi)存kmem_cache_alloc基于 slab 機(jī)制實(shí)現(xiàn)128KB適合需要頻繁申請(qǐng)釋放相同大小內(nèi)存塊時(shí)使用kmalloc基于 kmem_cache_alloc 實(shí)現(xiàn)128KB最常見(jiàn)的分配方式，需要小于頁(yè)框大小的內(nèi)存時(shí)可以使用vmalloc建立非連續(xù)物理內(nèi)存到虛擬地址的映射物理不連續(xù)，適合需要大內(nèi)存，但是對(duì)地址連續(xù)性沒(méi)有要求的場(chǎng)合dma_alloc_coherent基于_alloc_pages 實(shí)現(xiàn)4MB適用于 DMA 操作ioremap實(shí)現(xiàn)已知物理地址到虛擬地址的映射適用于物理地址已知的場(chǎng)合，如設(shè)備驅(qū)動(dòng)alloc_bootmem在啟動(dòng) kernel 時(shí)，預(yù)留一段內(nèi)存，內(nèi)核看不見(jiàn)小于物理內(nèi)存大小，內(nèi)存管理要求較高

4、malloc 申請(qǐng)內(nèi)存

調(diào)用 malloc 函數(shù)時(shí)，它沿 free_chuck_list 連接表尋找一個(gè)大到足以滿足用戶請(qǐng)求所需要的內(nèi)存塊

free_chuck_list 連接表的主要工作是維護(hù)一個(gè)空閑的堆空間緩沖區(qū)鏈表

如果空間緩沖區(qū)鏈表沒(méi)有找到對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，需要通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用 sys_brk 延伸進(jìn)程的棧空間

5、缺頁(yè)異常

通過(guò) get_free_pages 申請(qǐng)一個(gè)或多個(gè)物理頁(yè)面

換算 addr 在進(jìn)程 pdg 映射中所在的 pte 地址

將 addr 對(duì)應(yīng)的 pte 設(shè)置為物理頁(yè)面的首地址

系統(tǒng)調(diào)用：Brk—申請(qǐng)內(nèi)存小于等于 128kb，do_map—申請(qǐng)內(nèi)存大于 128kb

6、用戶進(jìn)程訪問(wèn)內(nèi)存分析

用戶態(tài)進(jìn)程獨(dú)占虛擬地址空間，兩個(gè)進(jìn)程的虛擬地址可相同

在訪問(wèn)用戶態(tài)虛擬地址空間時(shí)，如果沒(méi)有映射物理地址，通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用發(fā)出缺頁(yè)異常

缺頁(yè)異常陷入內(nèi)核，分配物理地址空間，與用戶態(tài)虛擬地址建立映射

7、共享內(nèi)存

1） 原理

它允許多個(gè)不相關(guān)的進(jìn)程去訪問(wèn)同一部分邏輯內(nèi)存

兩個(gè)運(yùn)行中的進(jìn)程之間傳輸數(shù)據(jù)，共享內(nèi)存將是一種效率極高的解決方案

兩個(gè)運(yùn)行中的進(jìn)程共享數(shù)據(jù)，是進(jìn)程間通信的高效方法，可有效減少數(shù)據(jù)拷貝的次數(shù)

2） shm 接口

shmget 創(chuàng)建共享內(nèi)存

shmat 啟動(dòng)對(duì)該共享內(nèi)存的訪問(wèn)，并把共享內(nèi)存連接到當(dāng)前進(jìn)程的地址空間

shmdt 將共享內(nèi)存從當(dāng)前進(jìn)程中分離
責(zé)編AJX