基于Linux的內(nèi)存管理方式解析

現(xiàn)在的服務(wù)器大部分都是運(yùn)行在Linux上面的，所以，作為一個(gè)程序員有必要簡單地了解一下系統(tǒng)是如何運(yùn)行的。對于內(nèi)存部分需要知道：

地址映射

內(nèi)存管理的方式

缺頁異常

先來看一些基本的知識，在進(jìn)程看來，內(nèi)存分為內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)兩部分，經(jīng)典比例如下：

從用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)一般通過系統(tǒng)調(diào)用、中斷來實(shí)現(xiàn)。用戶態(tài)的內(nèi)存被劃分為不同的區(qū)域用于不同的目的：

當(dāng)然內(nèi)核態(tài)也不會無差別地使用，所以，其劃分如下：

下面來仔細(xì)看這些內(nèi)存是如何管理的。

地址

在Linux內(nèi)部的地址的映射過程為邏輯地址–>線性地址–>物理地址，物理地址最簡單：地址總線中傳輸?shù)?a target="_blank">數(shù)字信號，而線性地址和邏輯地址所表示的則是一種轉(zhuǎn)換規(guī)則，線性地址規(guī)則如下：

這部分由MMU完成，其中涉及到主要的寄存器有CR0、CR3。機(jī)器指令中出現(xiàn)的是邏輯地址，邏輯地址規(guī)則如下：

在Linux中的邏輯地址等于線性地址，也就是說Inter為了兼容把事情搞得很復(fù)雜，Linux簡化順便偷個(gè)懶。

內(nèi)存管理的方式

在系統(tǒng)boot的時(shí)候會去探測內(nèi)存的大小和情況，在建立復(fù)雜的結(jié)構(gòu)之前，需要用一個(gè)簡單的方式來管理這些內(nèi)存，這就是bootmem，簡單來說就是位圖，不過其中也有一些優(yōu)化的思路。

bootmem再怎么優(yōu)化，效率都不高，在要分配內(nèi)存的時(shí)候畢竟是要去遍歷，buddy系統(tǒng)剛好能解決這個(gè)問題：在內(nèi)部保存一些2的冪次大小的空閑內(nèi)存片段，如果要分配3page，去4page的列表里面取一個(gè)，分配3個(gè)之后將剩下的1個(gè)放回去，內(nèi)存釋放的過程剛好是一個(gè)逆過程。用一個(gè)圖來表示：

可以看到0、4、5、6、7都是正在使用的，那么，1、2被釋放的時(shí)候，他們會合并嗎？

static inline unsigned long

__find_buddy_index(unsigned long page_idx, unsigned int order)

{

return page_idx ^ (1 << order);// 更新最高位，0～1互換

}

從上面這段代碼中可以看到，0、1是buddy，2、3是buddy，雖然1、2相鄰，但他們不是。內(nèi)存碎片是系統(tǒng)運(yùn)行的大敵，伙伴系統(tǒng)機(jī)制可以在一定程度上防止碎片~~另外，我們可以通過cat /proc/buddyinfo獲取到各order中的空閑的頁面數(shù)。

伙伴系統(tǒng)每次分配內(nèi)存都是以頁（4KB）為單位的，但系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)候使用的絕大部分的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都是很小的，為一個(gè)小對象分配4KB顯然是不劃算了。Linux中使用slab來解決小對象的分配：

在運(yùn)行時(shí)，slab向buddy“批發(fā)”一些內(nèi)存，加工切塊以后“散賣”出去。隨著大規(guī)模多處理器系統(tǒng)和NUMA系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，slab終于暴露出不足：

復(fù)雜的隊(duì)列管理

管理數(shù)據(jù)和隊(duì)列存儲開銷較大

長時(shí)間運(yùn)行partial隊(duì)列可能會非常長

對NUMA支持非常復(fù)雜

為了解決這些高手們開發(fā)了slub：改造page結(jié)構(gòu)來削減slab管理結(jié)構(gòu)的開銷、每個(gè)CPU都有一個(gè)本地活動(dòng)的slab(kmem_cache_cpu)等。對于小型的嵌入式系統(tǒng)存在一個(gè)slab模擬層slob，在這種系統(tǒng)中它更有優(yōu)勢。

小內(nèi)存的問題算是解決了，但還有一個(gè)大內(nèi)存的問題：用伙伴系統(tǒng)分配10 x 4KB的數(shù)據(jù)時(shí)，會去16 x 4KB的空閑列表里面去找（這樣得到的物理內(nèi)存是連續(xù)的），但很有可能系統(tǒng)里面有內(nèi)存，但是伙伴系統(tǒng)分配不出來，因?yàn)樗麄儽环指畛尚〉钠?。那么，vmalloc就是要用這些碎片來拼湊出一個(gè)大內(nèi)存，相當(dāng)于收集一些“邊角料”，組裝成一個(gè)成品后“出售”：

之前的內(nèi)存都是直接映射的，第一次感覺到頁式管理的存在:D 另外對于高端內(nèi)存，提供了kmap方法為page分配一個(gè)線性地址。

進(jìn)程由不同長度的段組成：代碼段、動(dòng)態(tài)庫的代碼、全局變量和動(dòng)態(tài)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的堆、棧等，在Linux中為每個(gè)進(jìn)程管理了一套虛擬地址空間：

在我們寫代碼malloc完以后，并沒有馬上占用那么大的物理內(nèi)存，而僅僅是維護(hù)上面的虛擬地址空間而已，只有在真正需要的時(shí)候才分配物理內(nèi)存，這就是COW（COPY-ON-WRITE:寫時(shí)復(fù)制）技術(shù)，而物理分配的過程就是最復(fù)雜的缺頁異常處理環(huán)節(jié)了，下面來看!

缺頁異常

在實(shí)際需要某個(gè)虛擬內(nèi)存區(qū)域的數(shù)據(jù)之前，和物理內(nèi)存之間的映射關(guān)系不會建立。如果進(jìn)程訪問的虛擬地址空間部分尚未與頁幀關(guān)聯(lián)，處理器自動(dòng)引發(fā)一個(gè)缺頁異常。在內(nèi)核處理缺頁異常時(shí)可以拿到的信息如下：

cr2：訪問到線性地址

err_code：異常發(fā)生時(shí)由控制單元壓入棧中，表示發(fā)生異常的原因

regs：發(fā)生異常時(shí)寄存器的值

處理的流程如下：

發(fā)生缺頁異常的時(shí)候，可能因?yàn)椴怀Ｊ褂枚籹wap到磁盤上了，swap相關(guān)的命令如下：

如果內(nèi)存是mmap映射到內(nèi)存中的，那么在讀、寫對應(yīng)內(nèi)存的時(shí)候也會產(chǎn)生缺頁異常。