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Linux的内存分页管理

时间:2020-01-16 08:17:11 出处:5分时时彩官网_5分时时彩平台_5分时时彩网站

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。内存为应用应用tcp连接开辟出应用应用tcp连接空间,让应用应用tcp连接在其中保存数据。我将从内存的物理形态学 出发,深入到内存管理的细节,很重是了解虚拟内存和内存分页的概念。

内存

简单地说,内存什么都有有一一另有几块 数据货架。内存一一另有几块 最小的存储单位,大多数就有一一另有几块 字节。内存用内存地址(memory address)来为每个字节的数据顺序编号。过后,内存地址说明了数据在内存中的位置。内存地址从0开始,每次增加1。你这些 线性增加的存储器地址称为线性地址(linear address)。为了方便,当让我们 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”里面跟着的,什么都有有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我你要存取数据的地址。以英特尔32位的200386型CPU为例,这款CPU有3一一另有几块 针脚还要传输地址信息。每个针脚对应了一位。过后针脚上是高电压,不能自己 你这些 位是1。过后是低电压,不能自己 你这些 位是0。32位的电压高低信息通过地址总线传到内存的3一一另有几块 针脚,内存就能把电压高低信息转换成32位的二进制数,从而知道CPU我你要的是哪个位置的数据。用十六进制表示,32位地址空间什么都有有从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,什么都有有有存储器的读取时间和数据所在位置有关。就拿磁带来说,当让我们 想听其中的一首歌,还要转动带子。过后那首歌是第一首,不能自己 立即就还要播放。过后那首歌恰巧是最后一首,当让我们 快进到还要播放的位置就还要花很长时间。当让我们 过后知道,应用应用tcp连接还要调用内存中不同位置的数据。过后数据读取时间和位置相关得话,计算机就不能自己把控应用应用tcp连接的运行时间。过后,随机读取的形态学 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应用应用tcp连接。即使应用应用tcp连接所需空间超过内存空间,内存空间也还要通过少许拓展来弥补。换句话说,内存的存储能力,和计算机运行清况 的数据总量相当。内存的缺点是都还可以 持久地保存数据。一旦断电,内存中的数据就会消失。过后,计算机即使有了内存另一一另有几块 一一另有几块 主存储器,还是还要硬盘另一一另有几块 的内控 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,什么都有有存储应用应用tcp连接的相关数据。当让我们 过后过后都看过应用应用tcp连接空间的应用tcp连接段、全局数据、栈和堆,以及什么什么存储形态学 在应用应用应用tcp连接中所起到的关键作用。有趣的是,尽管应用应用tcp连接和内存的关系不能自己 紧密,但应用应用tcp连接暂且能直接访问内存。在Linux下,应用应用tcp连接都还可以 直接读写内存中地址为0x1位置的数据。应用应用tcp连接中能访问的地址,都还可以 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。你这些 内存管理妙招 ,称为虚拟内存(virtual memory)。

每个应用应用tcp连接就有我本人的一套虚拟内存地址,用来给我本人的应用应用tcp连接空间编号。应用应用tcp连接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这些 ,就有为数据提供位置索引。应用应用tcp连接的虚拟内存地址相互独立。过后,一一另有几块 应用应用tcp连接空间还要有相同的虚拟内存地址,如0x20002000。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。对应用应用tcp连接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

应用应用tcp连接来说对物理内存地址一无所知。它只过后通过虚拟内存地址来进行数据读写。应用tcp连接中表达的内存地址,也就有虚拟内存地址。应用应用tcp连接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。过后翻译的过程由操作系统全权负责,什么都有有有应用应用tcp连接还要在全过程中对物理内存地址一无所知。过后,C应用tcp连接中表达的内存地址,就有虚拟内存地址。比如在C语言中,还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应用tcp连接自由访问物理内存地址的权利。应用应用tcp连接对物理内存的访问,还要经过操作系统的审查。过后,掌握着内存对应关系的操作系统,也掌握了应用应用tcp连接访问内存的闸门。借助虚拟内存地址,操作系统还要保障应用应用tcp连接空间的独立性。我希望操作系统把一一另有几块 应用应用tcp连接的应用应用tcp连接空间对应到不同的内存区域,过后一一另有几块 应用应用tcp连接空间成为“老死不相往来”的一一另有几块 小王国。一一另有几块 应用应用tcp连接就不过后相互篡改对方的数据,应用应用tcp连接出错的过后性就大为减少。

我本人面,有了虚拟内存地址,内存共享也变得简单。操作系统还要把同一物理内存区域对应到多个应用应用tcp连接空间。另一一另有几块 ,不还要任何的数据克隆技术,多个应用应用tcp连接就还要都看相同的数据。内核和共享库的映射,什么都有有通过你这些 妙招 进行的。每个应用应用tcp连接空间中,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。另一一另有几块 ,所有的应用应用tcp连接就还要共享同一套内核数据。共享库的清况 也是这些 。对于任何一一另有几块 共享库,计算机只还要往物理内存中加载一次,就还要通过操纵对应关系,来让多个应用应用tcp连接一同使用。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,给应用应用tcp连接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,虚拟内存地址过后成为必备的设计。不能自己 ,操作系统还要要考虑清楚,如何能高效地翻译虚拟内存地址。

记录对应关系最简单的妙招 ,什么都有有把对应关系记录在一张表中。为了让翻译速率足够地快,你这些 表还要加载在内存中。不过,你这些 记录妙招 惊人地浪费。过后树莓派1GB物理内存的每个字节都一一另有几块 对应记录得话,不能自己 光是对应关系就要远远超过内存的空间。过后对应关系的条目众多,搜索到一一另有几块 对应关系所需的时间也很长。另一一另有几块 得话,会让树莓派陷入瘫痪。

过后,Linux采用了分页(paging)的妙招 来记录对应关系。所谓的分页,什么都有有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。过后我你要获取当前树莓派的内存页大小,还要使用命令:

得到结果,即内存分页的字节数:

4096

返回的4096代表每个内存页还要存放4096个字节,即4KB。Linux把物理内存和应用应用tcp连接空间都分割成页。

内存分页,还要极大地减少所要记录的内存对应关系。当让我们 过后都看,以字节为单位的对应记录觉得太满。过后把物理内存和应用应用tcp连接空间的地址都分成页,内核只还要记录页的对应关系,相关的工作量就会大为减少。过后每页的大小是每个字节的2000倍。过后,内存中的总页数什么都有有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过后。

无论是虚拟页,还是物理页,一页之内的地址就有连续的。另一一另有几块 得话,一一另有几块 虚拟页和一一另有几块 物理页对应起来,页内的数据就还要按顺序一一对应。这原因分析分析,虚拟内存地址和物理内存地址的末尾累积应该完整性相同。大多数清况 下,每一页有4096个字节。过后4096是2的12次方,什么都有有有地址最后12位的对应关系火山岩石石成立。当让我们 把地址的你这些 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。操作系统只还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,在于管理应用应用tcp连接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。你这些 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。过后每个应用应用tcp连接会有一套虚拟内存地址,不能自己 每个应用应用tcp连接就有一一另有几块 分页表。为了保证查询速率,分页表也会保居于内存中。分页表有什么都有有有种实现妙招 ,最简单的五种分页表什么都有有把所有的对应关系记录到同一一另有几块 线性列表中,即如图2中的“对应关系”累积所示。

你这些 单一的连续分页表,还要给每一一另有几块 虚拟页预留一根记录的位置。但对于任何一一另有几块 应用应用应用tcp连接,其应用应用tcp连接空间真正用到的地址都相当有限。当让我们 还记得,应用应用tcp连接空间会有栈和堆。应用应用tcp连接空间为栈和堆的增长预留了地址,但栈和堆很少会占满应用应用tcp连接空间。这原因分析分析,过后使用连续分页表,什么都有有有条目都不能自己 真正用到。过后,Linux中的分页表,采用了多层的数据形态学 。多层的分页表都都还可以 减少所需的空间。

当让我们 来看一一另有几块 错综复杂的分页设计,用以说明Linux的多层分页表。当让我们 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另有几块 或更多的累积,过后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,用一一另有几块 十六进制数字表示。第二级对应了后12位页编号,用兩个十六进制编号。二级表记录有对应的物理页,即保存了真正的分页记录。二级表有什么都有有有张,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,里面记录的前8位就有0x00。翻译地址的过程要跨越两级。当让我们 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。当让我们 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性的电话号码分成区号。当让我们 把同一地区的电话号码以及对应的人名记录同通一一另有几块 小本子上。再用一一另有几块 上级本子记录区号和各个小本子的对应关系。过后某个区号不能自己 使用,不能自己 当让我们 只还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开头的虚拟地址段不能自己 使用,相应的二级表就不还要居于。正是通过你这些 手段,多层分页表居于的空间要比单层分页表少了什么都有有有。

多层分页表还有另一一另有几块 优势。单层分页表还要居于于连续的内存空间。而多层分页表的二级表,还要散步于内存的不同位置。另一一另有几块 得话,操作系统就还要利用零碎空间来存储分页表。还还要注意的是,这里错综复杂了多层分页表的什么都有有有细节。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有有有。不过,多层分页表的基本原理就有相同。

综上,当让我们 了解了内存以页为单位的管理妙招 。在分页的基础上,虚拟内存和物理内存实现了分离,从而让内核深度参与和监督内存分配。应用应用应用tcp连接的安全性和稳定性过后大为提高。

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