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linux下內(nèi)存管理學(xué)習(xí)心得（一）
作者：
時(shí)間：2016-11-23
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)
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最近在學(xué)習(xí)內(nèi)存管理的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)對(duì)linux下的所謂內(nèi)存如何管理如何分配都不熟悉，通過(guò)最近的查閱資料可總結(jié)如下，如有不妥之處歡迎大家批評(píng)與指正。總的的來(lái)說(shuō)linux的內(nèi)存管理其實(shí)主要難理解的是以下幾個(gè)部分：
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/201611/320404.htm 1、虛擬地址、物理地址、線性地址、邏輯地址之間的區(qū)別。
2、用戶(hù)地址空間與內(nèi)核地址空間區(qū)別。
3、內(nèi)核如何分配所謂的地址。
4、一個(gè)可執(zhí)行程序的地址分布以及運(yùn)行地址分配。
目前我也大概總結(jié)這幾個(gè)，其實(shí)這方面的知識(shí)肯定很多，但限于能力只能如何，也盡最大努力詳細(xì)分析其中原委。注：很多是參考了網(wǎng)上的大?？偨Y(jié)的。
一、各地址之間區(qū)別
1、虛擬地址
其中各種地址的概念大家都可查閱到，我也就不多說(shuō)了，虛擬地址就是為了給用戶(hù)一個(gè)更大的使用空間（當(dāng)然這個(gè)使用空間肯定是虛擬了的），然后32位下面用戶(hù)地址空間也就是虛擬地址空間范圍就是0--4GB。其中這個(gè)范圍又可以劃為0--3GB-1用戶(hù)空間和3GB--4GB-1的內(nèi)核空間。其中進(jìn)程都各自有各自的0--3GB-1地址范圍而共享3GB--4GB-1的內(nèi)核空間。更詳細(xì)的請(qǐng)往下此處不講為了大家先有個(gè)宏觀的認(rèn)識(shí)。
1、分頁(yè)單元中，頁(yè)目錄的地址放在CUP的CR3寄存器中，是進(jìn)行抵制轉(zhuǎn)換的開(kāi)始點(diǎn)。
2、每個(gè)進(jìn)程，都有其獨(dú)立的虛擬地址空間，運(yùn)行一個(gè)進(jìn)程，首先需要將它的頁(yè)目錄地址放在CR3寄存器中，其他的進(jìn)程的保存下來(lái)。
3、每一個(gè)32位的線性地址被劃分為三部分：頁(yè)目錄索引（10位）：頁(yè)表索引（10位）：偏移12位。
裝換：
1、先裝入進(jìn)程的頁(yè)目錄地址（調(diào)度程序把這個(gè)地址裝入CR3中）；
2、根據(jù)線性地址前10位，在頁(yè)目錄中找到對(duì)應(yīng)的索引項(xiàng)，頁(yè)目錄中的項(xiàng)是一個(gè)頁(yè)表的地址；
3、根據(jù)線性地址的中間10位，在頁(yè)表中找到頁(yè)的起始地址；
4、將頁(yè)的起始地址與線性地址的最后12為偏移地址相加最后為物理地址。
二、用戶(hù)地址與內(nèi)核地址
Linux 操作系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行在內(nèi)核空間，應(yīng)用程序運(yùn)行在用戶(hù)空間，兩者不能簡(jiǎn)單地使用指針傳遞數(shù)據(jù)，因?yàn)長(zhǎng)inux使用的虛擬內(nèi)存機(jī)制，用戶(hù)空間的數(shù)據(jù)可能被換出，當(dāng)內(nèi)核空間使用用戶(hù)空間指針時(shí)，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)可能不在內(nèi)存中。
其中內(nèi)核地址空間是由內(nèi)核負(fù)責(zé)映射，它并不會(huì)跟著進(jìn)程改變，是固定的。其中內(nèi)核空間分布如下：
（1）直接內(nèi)存映射區(qū)
從3G開(kāi)始，最大896M的線性地址區(qū)間，我們稱(chēng)作直接內(nèi)存映射區(qū)，這是因?yàn)樵搮^(qū)域的線性地址和物理地址之間存在線性裝換關(guān)系：線性地址=3G+物理地址
（2）動(dòng)態(tài)內(nèi)存映射區(qū)
又內(nèi)核函數(shù)vmalloc來(lái)進(jìn)行分配，其特點(diǎn)是線性空間連續(xù)，但物理地址空間不一定連續(xù)。
（3）永久內(nèi)存映射區(qū)
使用kmap函數(shù)將分配到得896M以上的高端內(nèi)存映射到該區(qū)
（4）固定映射區(qū)
特殊用途
用戶(hù)空間
用戶(hù)空間是0-3GB-1的空間范圍。這里就提前說(shuō)一下程序鏡像加載到運(yùn)行的過(guò)程。
首先二進(jìn)制程序是放在外部存儲(chǔ)器中的，當(dāng)啟動(dòng)一個(gè)進(jìn)程的時(shí)候先分配自己進(jìn)程的虛擬空間，這個(gè)時(shí)候?qū)⒊绦蜱R像加載到內(nèi)存（具體內(nèi)核過(guò)程下面介紹），如何鏡像很大的話先加載一部分（這部分是多大？我還不清楚有待研究），然后這個(gè)時(shí)候進(jìn)程的空間就會(huì)映射（一定注意是映射，因?yàn)楦揪蜎](méi)有這樣的地址，這只是個(gè)虛的），此時(shí)該進(jìn)程好像有了這個(gè)鏡像了，那么進(jìn)程執(zhí)行的時(shí)候根據(jù)線性地址找到物理地址（內(nèi)存）中的代碼執(zhí)行。就是這么簡(jiǎn)單。
三、內(nèi)核分配內(nèi)存
在linux操作系統(tǒng)中，每個(gè)進(jìn)程都通過(guò)一個(gè)task_struct的結(jié)構(gòu)體描敘，每個(gè)進(jìn)程的地址空間都通過(guò)一個(gè)mm_struct描敘，c語(yǔ)言中的每個(gè)段空間都通過(guò)vm_area_struct表示，他們關(guān)系如下 :
當(dāng)運(yùn)行一個(gè)程序時(shí)，操作系統(tǒng)需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)進(jìn)程，這個(gè)進(jìn)程和程序之間都干了些什么呢？
當(dāng)一個(gè)程序被執(zhí)行時(shí)，該程序的內(nèi)容必須被放到進(jìn)程的虛擬地址空間，對(duì)于可執(zhí)行程序的共享庫(kù)也是如此?？蓤?zhí)行程序并非真正讀到物理內(nèi)存中，而只是鏈接到進(jìn)程的虛擬內(nèi)存中。
當(dāng)一個(gè)可執(zhí)行程序映射到進(jìn)程虛擬地址空間時(shí)，一組vm_area_struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將被產(chǎn)生。每個(gè)vm_area_struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示可執(zhí)行印象的一部分;是可執(zhí)行代碼，或是初始化的數(shù)據(jù)，以及未初始化的數(shù)據(jù)等。
linux操作系統(tǒng)是通過(guò)sys_exec對(duì)可執(zhí)行文件進(jìn)行映射以及讀取的，有如下幾步：
1.創(chuàng)建一組vm_area_struct
2.圈定一個(gè)虛擬用戶(hù)空間，將其起始結(jié)束地址(elf段中已設(shè)置好)保存到vm_start和vm_end中。
3.將磁盤(pán)file句柄保存在vm_file中
4.將對(duì)應(yīng)段在磁盤(pán)file中的偏移值(elf段中已設(shè)置好)保存在vm_pgoff中;
5.將操作該磁盤(pán)file的磁盤(pán)操作函數(shù)保存在vm_ops中
注意：這里沒(méi)有對(duì)應(yīng) 的頁(yè)目錄表項(xiàng)創(chuàng)建頁(yè)表，更不存在設(shè)置頁(yè)表項(xiàng)了。
假設(shè)現(xiàn)在程序中有一條指令需要讀取上面vm_start--vm_end之間的某內(nèi)容
例如:mov [0x08000011],%eax,那么將會(huì)執(zhí)行如下序列:
1.cpu依據(jù)CR3(current->pgd)找到0x08000011地址對(duì)應(yīng)的pgd[i],由于該pgd[i]內(nèi)容保持為初始化狀態(tài)即為0,導(dǎo)致cpu異常.
2.do_page_fault被調(diào)用，在該函數(shù)中，為pgd[i]在內(nèi)存中分配一個(gè)頁(yè)表，并讓該表項(xiàng)指向它，如下圖所示:
注意：這里i為0x08000011高10位，j為其中間10位，此時(shí)pt表項(xiàng)全部為0(pte[j]也為0);
3.為pte[j]分配一個(gè)真正的物理內(nèi)存頁(yè)面，依據(jù)vm_area_struct中的vm_file、vm_pgoff和vm_ops，調(diào)用filemap_nopage將磁盤(pán)file中vm_pgoff偏移處的內(nèi)容讀入到該物理頁(yè)面中，如下圖所示：
?、佟７峙湮锢韮?nèi)存頁(yè)面;
②。從磁盤(pán)文件中將內(nèi)容讀取到物理內(nèi)存頁(yè)面中
從上面我們可以知道，在進(jìn)程創(chuàng)建的過(guò)程中，程序內(nèi)容被映射到進(jìn)程的虛擬內(nèi)存空間，為了讓一個(gè)很大的程序在有限的物理內(nèi)存空間運(yùn)行，我們可以把這個(gè)程序的開(kāi)始部分先加載到物理內(nèi)存空間運(yùn)行，因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)處理的是進(jìn)程的虛擬地址，如果在進(jìn)行虛擬到物理地址的轉(zhuǎn)換工程中，發(fā)現(xiàn)物理地址不存在時(shí)，這個(gè)時(shí)候就會(huì)發(fā)生缺頁(yè)異常(nopage)，接著操作系統(tǒng)就會(huì)把磁盤(pán)上還沒(méi)有加載到內(nèi)存中的數(shù)據(jù)加載到物理內(nèi)存中，對(duì)應(yīng)的進(jìn)程頁(yè)表進(jìn)行更新。也許你會(huì)問(wèn)，如果此時(shí)物理內(nèi)存滿(mǎn)了，操作系統(tǒng)將如何處理？
下面我們看看linux操作系統(tǒng)是如何處理的：
如果一個(gè)進(jìn)程想將一個(gè)虛擬頁(yè)裝入物理內(nèi)存，而又沒(méi)有可使用的空閑物理頁(yè)，操作系統(tǒng)就必須淘汰物理內(nèi)存中的其他頁(yè)來(lái)為此頁(yè)騰出空間。
在linux操作系統(tǒng)中，物理頁(yè)的描敘如下：
struct mem_map
{
1.本頁(yè)使用計(jì)數(shù)，當(dāng)該頁(yè)被許多進(jìn)程共享時(shí)計(jì)數(shù)將大于1.
2.age描敘本頁(yè)的年齡，用來(lái)判斷該頁(yè)是否為淘汰或交換的好候選
3.map_nr描敘物理頁(yè)的頁(yè)幀號(hào)
}
如果從物理內(nèi)存中被淘汰的頁(yè)來(lái)自于一個(gè)映像或數(shù)據(jù)文件，并且還沒(méi)有被寫(xiě)過(guò)，則該頁(yè)不必保存，它可以丟掉。如果有進(jìn)程在需要該頁(yè)時(shí)就可以把它從映像或數(shù)據(jù)文件中取回內(nèi)存。
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