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1、福州大学数学与计算机科学(软件) 学院自主学习技术报告课程名称： 操作系统 报告名称： 操作系统内存管理分析 学 号： 221000204 姓 名： 黄雪茹 专 业： 软件工程 年 级： 10 级 学 期： 2012 学年第 1 学期 2012 年 12 月Linux 内存管理技术分析- 1 -摘要：内存管理系统是操作系统中最为重要的部分,因为系统的物理内存总是少于系统所需要的内存数量。然而内存管理在不仅非常重要，而且很复杂。为发挥内存的最大作用,各种操作系统采用了不同的管理策略。在 Linux 操作系统中采用分页式的内存管理方式,而它的内存管理算法采用的是经典的伙伴算法。利用虚拟存储技术，L
2、inux 使得一个只有有限内存资源的计算机可以为每个进程提供多达 4GB 的虚拟内存空间。另外，Linux 虚拟内存管理机制把用户空间和核心空间分开，这样不仅有效地保护了核心空间，各个进程之间也互不影响。关键词：操作系统 内存 管理方式 管理算法 目录内存管理基本思想管理技术数据结构描述页框调度算法结束语内存管理基本思想Linux 支持非一致存储器访问模型，根据每个 CPU 对存储器的访问时间，存储器单元被划分为不同的节点，每个 CPU 对每个节点访问页所需的时间是相同的。每个节点通过一个描述符来表示。Linux 将每个节点的存储区划分为 3 个管理区。Linux 系统用 mem_map 数据
3、结构描述保存系统中所有的页框信息。mem_map 是由mem_map_t 结构组成的链表，每个 mem_map_t 结构都描述了系统中的一个页框。系统在初始化时，通过调用 free_area_init()函数来初始化 mem_map 数据。频繁的请求和释放同大小的一组连续页框，必然导致在已分配页框块内分散许多小块的空闲页框，也即所谓的外碎片。另一方面，如果请求存储器的大小与分配给它的大小不匹配，也会造成另外一种问题，即所谓的内碎片。Linux 采用伙伴系统算法和 Slab 分配器模式来解决外碎片和内碎片问题。管理技术- 2 -Linux 下主要包括：虚拟内存管理、物理内存管理、缓存管理三方面的
4、管理技术。1、虚拟内存管理基本思想是：把硬盘作为物理内存的扩展，将当前运行程序的一部分移动到硬盘，腾出内存给其他程序使用，当原来的内容又要使用时，再读回内存。这对用户全透明：运行于 Linux 的程序只看到大量的可用内存而不必关心程序的哪部分在硬盘上。2、物理内存管理Linux2.4 内核加入了对 NUMA 的支持，如果系统是 NUMA 结构的处理机系统，则物理内存被划分为 3 个层次来管理：存储节点（Node） ，管理区（Zone） ，页面（Page） 。处理器的本地内存组成的区域叫做一个节点(Node),它通过 pglist_data 数据结构来描述。各个节点的物理内存根据不同的作用又分为
5、 ZONE_DMA 、 ZONE_NORMAL 、 ZONE_HIGH，ZONE_DMA 面积小，且专供 DMA 使用，ZONE_NORMAL 则供大多数的程序使用，对于 ZONE_HIGH 仅仅只有页面缓存以及用户进程能够使用该区域的空间。每个管理区对应一个 free_area 数组来组织空闲页面队列，该数组的每一项描述某一种页块的信息，第一个元素描述大小为 1 页的内存块的信息，第二个元素描述大小为 2 页的内存块的信息，依此类推，所描述的页块大小以 2 的倍数增加。3、缓存管理为了较好的发挥系统性能，加快有用信息和数据的存取速度，Linux 使用了一系列和高速缓存相关的内存管理技术，具体
6、包括缓冲区高速缓存、页高速缓存和交换高速缓存等。(1) 缓冲区高速缓存：包含了从设备中读取的数据块或写入设备的数据块。缓冲区高速缓存由设备标示号和块索引，因此可以快速找到数据块。如果数据可以在缓冲区中高速缓存中找到，则不需要从物理块设备上读取，从而加快了访问速度。(2) 页高速缓存：这一高速缓存用来加速对磁盘上的映像和数据访问，它用来缓存某个文件的逻辑内容，并通过文件 VFS 索引节点和偏移量访问。当页从磁盘读到物理内存时，就缓存在页高速缓存。(3) 交换高速缓存：用于多个近程共享的页面被换出到交换区的情况。当页面交换到交换文件之后，如果有进程再次访问，它会被重新调入内存。需要特别指出的是：页
7、高速缓存和缓冲区高速缓存本质上是不同的：缓冲区高速缓存缓冲磁盘块内容，而页高速缓存缓冲文件的一页内容；页高速缓存写回时会使用临时的缓冲区高速缓存来写磁盘。- 3 -数据结构描述1、Struct page 内存页描述符结构struct page page_flags_t flags; 页标志字atomic_t _count; 页引用计数器atomic_t _mapcount; 页映射计数器unsigned long private; 私有数据指针struct address_space *mapping; 该页所在地址空间描述结构指针，用于内容为文件的页帧pgoff_t index; 该页描述结
8、构在地址空间 radix 树 page_tree 中的对象索引号即页号struct list_head lru;最近最久未使用 struct slab 结构指针链表头变量 #if defined(WneANT_PAGE_VIRTUAL)void *virtual; #endif /* WANT_PAGE_VIRTUAL */;2、struct per_cpu_pageset 每 CPU 高速缓存内存组结构struct per_cpu_pageset struct per_cpu_pages pcp2; /* 0: hot. 1: cold */#ifdef CONFIG_NUMAunsigne
9、d long numa_hit; /* allocated in intended node */unsigned long numa_miss; /* allocated in non intended node */unsigned long numa_foreign; /* was intended here, hit elsewhere */unsigned long interleave_hit; /* interleaver prefered this zone */unsigned long local_node; /* allocation from local node */
10、unsigned long other_node; /* allocation from other node */#endif _cacheline_aligned_in_smp;3、struct per_cpu_pages CPU 高速缓存描述结构struct per_cpu_pages int count; /* number of pages in the list */int low; /* low watermark, refill needed */- 4 -int high; /* high watermark, emptying needed */int batch; /*
11、chunk size for buddy add/remove */struct list_head list; /* the list of pages */;4、struct pagevec 页向量描述结构struct pagevec unsigned long nr; 该页向量中的内存页数unsigned long cold;冷热标志 0 热区 非 0 冷区struct page *pagesPAGEVEC_SIZE; 该页向量中的页描述结构指针数组;5.struct page_address_map 页地址映射描述结构struct page_address_map struct pag
12、e *page; 页的描述结构void *virtual; 页的虚拟地址struct list_head list; 通过 list 字段连接到页表池全局链表page_address_pool 中;6.static struct page_address_slot 页地址槽描述结构static struct page_address_slot struct list_head lh; /* List of page_address_maps */spinlock_t lock; /* Protect this buckets list */ _cacheline_aligned_in_smp
13、page_address_htable1PA_HASH_ORDER;页框调度算法作为计算机系统中最宝贵的资源，物理内存的合理分配和使用将会极大增强系统性能。在 系统中，当物理内存出现紧张的时候，内存管理子系统会选择一些当前进程暂时不用的页面换出到磁盘用以腾出一部分物理内存；当进程试图在自己的地址空间中对一个页进行寻址，而这个页已经被换出到磁盘上时，就会发生页换入。Linux 通过执行页面的交换操作，扩展了进程可以有效使用的地址空间，并且使得多个应用程序可同时装入内存运行。- 5 -交换文件一般保存在磁盘上。如果每次进行页面缓存时都进行读写磁盘文件的操作，那么系统的效率将大大降低。为了避免这一点
14、，Linux 系统引入了交换高速缓存的机制。实际上，交换高速缓存是一个页表表项链表，系统中的每个物理页面对应其中的一个表项，每个表项描述了一个换出页面以及该页面所在的交换文件和在文件中的偏移量大小。如果一个交换缓存表项为非 0，则表示某个页面存放在交换文件中并且没有修改过；如果一个页面将要被修改，则从交换缓存中移出它的表项。在 Linux系统需要将一个物理页面换出到交换文件中时，它首先查询交换高速缓存，如果其中有这个页面的表项且状态为可用，就不必将该文件写入到交换文件；原因是内存中的这个页面自装入以来还没有被修改过；如果交换高速缓存中有这个页面的表项但状态为不可用，则仍然可以利用它所包含的信息
15、来确定页面所在的交换文件以及该页面在交换文件中的具体位置。结束语内存管理单元作为操作系统的核心部分，在整个系统的运行过程中发挥着举足轻重的作用。 在其发展过程中不断的在完善和优化内存管理单元的功能和性能，从对最新内核的改造中我们能强烈的感受到在对高端服务器领域以及嵌入式领域支持的增强。在对 Linux 进行移植的过程中，针对具体领域，我们可以做出许多有意义的改造和尝试。参考文献1 中国互联网协会 2006 年第一次反垃圾邮件调查结果.http:/www.anti-lShowArticle.php?id=27132 曹麒麟，张千里.垃圾邮件与反垃圾邮件技术M.北京:人民邮电出版社，2003.3 罗改龙.基于 SPI 的防火墙的研究与实现硕士学位论文.武汉:武汉理工大学，20074 周茜，赵明生.中文文本分类中的特征选择研究J.中文信息学报,2003,Vol.18 No.3- 6 -Windows 内存管理技术分析摘要：在计算机存储体系中，内存直接受处理器控制和管理，即计算机的指令可以直接操纵内存单元中的数据，所以，内存管理是操作系统中除了进程和线程管理以外最为重要的一部分。由于内存管理的优劣会直接影响到系统本身的性能，所以，内存管理组件的框架结构通常在很大程度上是由处理器的硬件特性来决定
