linux内存管理

虚拟内存空间的管理

• linux操作系统采用的是请求式分页虚拟内存管理
• 每个进程有独立的4GB的虚拟内存空间

IA32体系结构具有两种内存管理模式：

实模式

保护模式

• 逻辑地址到物理地址的转换：
  • 逻辑地址——>线性地址（虚拟地址）——>物理地址
• 内核空间到物理内存的映射
  • 内核空间由所有进程共享，存放着内核代码和数据
  • 内核空间映射到物理内存总是从最低地址开始，建立线性关系
  • 系统启动时，内核映像被装载到物理地址1MB开始的地方

进程用户空间

linux把进程的用户空间划分成一个个区间。

• 一个进程的用户进程空间由mm_struct结构描述（对进行的整个用户空间进行描述，memory descriptor）
• vm_area_struct结构是虚存空间的一个连续区域，所有的该结构体组成一个单链表，在这个区域里的信息具有相同的操作和访问特性。vm_mm指针指向mm_struct结构体；vm_strart和vm_end是虚拟区域的开始和终止地址

创建进程用户空间

• 通过fork()系统调用，在创建新进程的同时，也为该进程创建完整的用户空间
• 新进程的用户空间——copy_mm()，通过写时复制技术创建的

linux的分页内存管理机制

linux总是假定处理器支持三级页表结构（对于IA32，把PGD和PMD合二为一）：

• 页目录PGD
• 页中间目录PMD
• 页表PTE

内核2.6.11之后采用四级页表模型

• 线性地址到物理地址映射（以IA32为例）
  • 页目录：高10位
  • 页表：中间10位
  • 偏移：低12位，用来表示在一个页帧中的偏移
  • 每个进程都有一个页目录。由寄存器CR3指向该页目录的基地址
• 缺页异常：
  • 编程错误
  • 操作系统故意引发的异常
  • 缺页异常的处理程序是do_page_fault()函数：该函数有两个参数：一个是发送异常地址；一个是错误码；
  • do_page_fault()执行过程：从CR2得到发送异常的线性地址；使用LRU去换页，为每个页面设置一个age，年纪越大，越容易被换
• 交换机制：当物理内存小于一个固定的极限时，就会执行换出操作

物理内存的管理

定义

页帧：物理内存是以页帧为基本单位的，IA32为4kb

结点：访问速度相同的一个内存区域，与处理器相关联

zone：根据用途不同，将不同结点的物理内存分成不同的zone

linux对于zone曹勇buddy system管理

page结构

页帧是由page结构体表示的。

物理内存的分配和回收

• buddy分配

物理内存采用的是buddy分配算法，最小的分配单位是页帧，目的是分配一组连续的物理页帧。

buddy：两组连续的页帧，满足——大小相同；物理地址连续；第2个页块后面的页帧必须是2n的倍数。

buddy算法把内存中的所有页帧按照2^n划分，分成1，2，4，8.。。。。1024一共11种页块，每个页块组用一个双向循环链表进行管理，也就是一共有11个链表

比如free_area[0]指向1页帧块的链表

比如free_area[2]指向4页帧块的链表

• 内存回收
  • 回收时需要检查与该页帧相邻的空闲页块，若存在则需要合成一个连续的空闲区，按buddy算法重新分组
• slab分配器
  • 为了解决buddy算法以页帧为基本分配单位可能造成的内部碎片
  • 基本思想：为经常使用的小对象建立缓冲，小对象的申请和释放由slab分配器管理，不与buddy系统打交道