内存管理之linux内存管理

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1、 张惠娟 副教授 Linux内存管理内容 i386存储管理单元 Linux存储管理思想 物理内存空间管理 进程虚拟空间管理 请页机制 交换空间管理 缓冲机制 MMU 分段机制i386的存储管理单元i386的存储管理单元 MMU MMU由一个或一组芯片组成，其功能是把虚地址 映射为物理地址，即地址转换。 80386以两级方式实现地址转换：第一级使用段机制，第二级使用分页机制。 在80386上，分页机制是支持虚拟存储器的最佳 选择。段机制使用可变大小的块，使段机制较适 合处理复杂系统的逻辑分区。i386的存储管理单元 分段机制 段描述符描述了段的基地址、界限及保护属性，是一个8 字节的数据结构，存

2、放在段描述符表中。i386的存储管理单元上图说明 从图中可以看出，一个段描述符指出了段的32 位基地址和20位段界限（即段长）。 第6个字节的G位是粒度位，当G=0时，段长的表 示格式为字节长度，即一个段最长可达1M字节。 当G=1时，段长表示段以4K字节为一页的页数目 ，即一个段最长可达1M*4K=4G字节。 D表示缺省操作数大小，D=0，操作数为16位， 如果D=1，操作数为32位。i386的存储管理单元描述符表 在分段机制中，系统维护三种段表，称为描述 符表，即全局描述符表、局部描述符表和中断描 述符表。 描述符表本身占据的字节数为8的倍数，空间大 小在8个字节（至少含一个描述符）到64

3、K字节（ 至多含8K个描述符）之间。i386的存储管理单元全局描述符表（GDT）全局描述符表包含着系统中所有任务都 可用的那些描述符。 局部描述符表（LDT）局部描述符表LDT包含了与一个给定任务 有关的描述符，每一个任务都有一个各自 LDT。i386的存储管理单元 选择器 实模式下，段寄存器存储的是真实段地址 保护模式下，16位段寄存器无法访问32位 段地址，因此，被称为选择器，即段寄存 器是用来选择描述符的。i386的存储管理单元索引 TI 特权级别153 2 1013位索引段选择器结构上图说明： TI是选择域，TI1，从局部描述符表中选择相 应描述符，TI0，从全局描述符表中选择描述 符

4、。 索引域给出该选择符在GDT或LDT中的入口偏移量 ，选择符高14位将虚拟地址空间分为16K个独立 段，其中8K个全局段和8K个局部段。 第1、0位是特权级，表示选择器特权级，称为请 求者特权级RPL。只有请求者特权级RPL高于或等 于相应描述符特权级DPL，描述符才能被存取， 可以实现一定程度的保护。 i386的存储管理单元描述符寄存器 全局描述符表寄存器GDTR是一个48位的寄存器。 低16位保持全局描述符表GDT大小，最大为64K字 节，高32位保持GDT的段基地址。 局部描述符表寄存器LDTR可见部分（即程序员可 以操作的部分）只有16位，不可见部分有48位， 放置局部描述符表的段基

5、地址和界限。i386的存储管理单元分段方式下，寻址过程如下： 在段选择器中装入16位数，同时给出32位地址偏 移量（比如在ESI、EDI中等等）。 根据段选择器中的索引值、TI及RPL值，再根据 相应描述符表寄存器中的段基地址和段界限，进 行一系列合法性检查（如特权级检查、界限检查 ）若无异常，取出相应描述符放入段描述符高速 缓冲寄存器中。 将描述符中的32位段基地址和放在ESI、EDI等中 的32位有效地址相加，就形成了32位物理地址。i386的存储管理单元i386的存储管理单元 linux分段机制 linux分页机制 Linux内存管理实现Linux的存储管理思想 Linux分段机制 li

6、nux只定义了四种段寄存器的取值 内核代码段 0x10 内核数据段 0x18 用户代码段 0x23 用户数据段 0x28Linux的存储管理思想Linux的存储管理思想将上表和段选择寄存器对比可知：表明： 使用的都是GDT表 运行级别分为两级：0和3Linux的存储管理思想 GDT初始化信息在arch/i386/kernel/head.S中Linux的存储管理思想对照段描述符的含义，可以得出结论： 四个段描述符内容下列内容基本相同结论：所有段都是从0地址开始的4G虚空间，虚拟地址 到线性地址的映射是取值不变。Linux的存储管理思想 有区别的地方仅仅是下列部分结论： 经过如上段映射，之后需要开

7、始进行线性地址映射 。Linux的存储管理思想 Linux分页机制 控制寄存器CR0、CR3 用CR0的PG位用来控制分页机制：1，启用分页；0，禁止分页。 CR3用于指示页目录表的起始物理地址 。Linux的存储管理思想 两级页表结构Linux的存储管理思想页目录项页目录项表最多可包含1024个页目录项，每个页目 录项为4字节，结构如图所示。Linux的存储管理思想Linux的存储管理思想 上图说明： 第0位是存在位，P1，表示页表地址指向的页在内存中，如果P0，表示不在内存中。 第1位是读/写位 第2位是用户/管理员位，这两位为页目录项提供保护属性。 第5位是访问位，当对页目录项进行访问时

8、，A位1。 第911位由操作系统专用。页面项每个页目录项指向一个页表，页表最多含有1024个 页面项，每项4个字节，包含页面的起始地址和有 关该页面的信息。其中，第6位是页面项独有的，当对涉及的页面进 行写操作时，D位被置1。Linux的存储管理思想总之，存储器只有一个页目录，有1024个页 目录项，每个页目录项又含有1024个页面项 ，因此，存储器一共可以分成10241024 1M个页面。由于每个页面为4K字节，所以， 存储器的大小正好（最多）为4GB。Linux的存储管理思想页面高速缓冲寄存器 在分页情况下，每次存储器访问都要存取两级页 表，大大降低了访问速度。为了提高速度，在386中设置

9、了一个最近存取页 面的高速缓冲寄存器，自动保持32项处理器最近 使用的页面地址。Linux的存储管理思想Linux的存储管理思想linux三级分页结构Linux的存储管理思想地址映射Linux的存储管理思想交换控制模块 （swap）系统调用内存映射模块 （mmap）内存管理模块 （core）结构特定模块MMULinux的存储管理思想说明：上图是虚拟内存管理的程序模块，实现代码大 部分放在/mm目录下。 内存映射模块（mmap）负责把磁盘文件或交换空间文件的逻辑 地址映射到虚拟地址，以及把虚拟地址 映射到物理地址。Linux的存储管理思想 交换模块（swap）负责控制内存内容的换入和换出。采用交

10、换机 制，从主存中淘汰最近没被访问的逻辑页，保存 近来访问过的逻辑页。 核心内存管理模块（core）负责核心内存管理功能，如页的分配、回收和 请求调页处理等功能，这些功能将别的内核子系 统（如文件系统）所使用。Linux的存储管理思想 结构特定的模块负责给各种硬件平台提供通用接口，主要完成 主存初始化工作及对页面故障的处理。这个模块 是实现虚拟内存的物理基础。Linux的存储管理思想 数据结构 基于Buddy算法的内存页面管理 基于slab算法的内存分区管理物理内存空间管理物理内存空间管理数据结构 分页管理结构 设置了一个mem_map数组管理内存页面page,其在系统初始化时由 free_a

11、rea_init()函 数创建。数组元素是一个个page结构体，每个page结构体对应一个物理页面。 page结构定义为mem_map_t类型，定义在 /include/linux/mm.h中：typedef struct page struct page *next;struct page *prev;struct inode *inode;unsigned long offset;struct page *next_hash;atomic_t count;unsigned flags;unsigned dirty,age;struct wait_queue *wait;struct buf

12、fer_head * buffers;unsigned long swap_unlock_entry;unsigned long map_nr; mem_map_t; 说明： Count共享该页面的进程计数 Age标志页面的“年龄” Dirty表示该页面是否被修改过 prev和next：把page结构体链接成一个双向循环链表 prev_hash和next_hash把有关page结构体连成哈希表物理内存空间管理 inode和offset：内核以节点和其上的偏移为键值，将页面组织成 哈希表。 Wait等待该页资源的进程等待队列指针 Flag页面标志 map_nr该页面page结构体在mem_map

13、数组中的下标值 ，也就是物理页面的页号。物理内存空间管理lBuddy算法 Linux对空闲内存空间管理采用Buddy算法 。 Buddy算法 把内存中所有页面按照2n划分，其中n=05， 每个内存空间按1个页面、2个页面、4个页面 、8个页面、16个页面、32个页面进行六次划 分。物理内存空间管理划分后形成了大小不等的存储块，称为页面块， 简称页块。包含1个页面的页块称为1页块，包含 2个页面的称为2页块，依此类推。 每种页块按前后顺序两两结合成一对Buddy“伙 伴” 系统按照Buddy关系把具有相同大小的空闲页面 块组成页块组，即1页块组、2页块组32页块 组。 每个页块组用一个双向循环链

14、表进行管理，共有 个链表，分别为1、2、4、8、16、32页块链表 。分别挂到free_area 数组上。物理内存空间管理位图数组 标记内存页面使用情况，第0组每一位表示单 个页面使用情况，1表示使用，0表示空闲，第 2组每一位表示比邻的两个页面的使用情况， 依次类推。默认为10个数组。 当一对Buddy的两个页面块中有一个是空闲 的，而另一个全部或部分被占用时，该位置 1。 两个页面块都是空闲，或都被全部或部分占 用时， 对应位置0。物理内存空间管理内存分配和释放过程 内存分配时，系统按照Buddy算法，根 据请求的页面数在free_area对应的 空闲页块组中搜索。 若请求页面数不是2的整

15、数次幂，则 按照稍大于请求数的2的整数次幂的 值搜索相应的页面块组。物理内存空间管理 当相应页块组中没有可使用的空闲页面块 时就查询更大一些的页块组， 在找到可用的空闲页面块后，分配所需页 面。 当某一空闲页面块被分配后，若仍有剩余 的空闲页面，则根据剩余页面的大小把它 们加入到相应页块组中。物理内存空间管理内存页面释放时，系统将其做为空闲页面 看待。检查是否存在与这些页面相邻的其它空闲 页块，若存在，则合为一个连续的空闲区 按Buddy算法重新分组。物理内存空间管理物理内存空间管理物理内存空间管理物理内存空间管理 Slab算法 采用buddy算法，解决了外碎片问题，这 种方法适合大块内存请求，不适合小内存 区请求。如：几十个或者几百个字节。 Linux2.0采用传统内存分区算法，按几何 分布提供内存区大小，内存区以2的幂次 方为单位。虽然减少了内碎片，但没有显 著提高系统效率。物理内存空间管理 Linux2.4采用了slab分配器算法该算法比传统的分配器算法有更好性能和 内存利用率，最早在solaris2.4上使用。物理内存空间管理Slab分配器思想 小对象的申请和释放通过slab分配器来管理。 slab分配器有一组高速缓存，每个高速缓存保存 同一种