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linux下內(nèi)存管理學(xué)習(xí)心得（一）
作者：
時間：2016-11-23
來源：網(wǎng)絡(luò)
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最近在學(xué)習(xí)內(nèi)存管理的時候，發(fā)現(xiàn)對linux下的所謂內(nèi)存如何管理如何分配都不熟悉，通過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與指正。總的的來說linux的內(nèi)存管理其實(shí)主要難理解的是以下幾個部分：
本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/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，其實(shí)這方面的知識肯定很多，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，我也就不多說了，虛擬地址就是為了給用戶一個更大的使用空間（當(dāng)然這個使用空間肯定是虛擬了的），然后32位下面用戶地址空間也就是虛擬地址空間范圍就是0--4GB。其中這個范圍又可以劃為0--3GB-1用戶空間和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)的請往下此處不講為了大家先有個宏觀的認(rèn)識。
1、分頁單元中，頁目錄的地址放在CUP的CR3寄存器中，是進(jìn)行抵制轉(zhuǎn)換的開始點(diǎn)。
2、每個進(jìn)程，都有其獨(dú)立的虛擬地址空間，運(yùn)行一個進(jìn)程，首先需要將它的頁目錄地址放在CR3寄存器中，其他的進(jìn)程的保存下來。
3、每一個32位的線性地址被劃分為三部分：頁目錄索引（10位）：頁表索引（10位）：偏移12位。
裝換：
1、先裝入進(jìn)程的頁目錄地址（調(diào)度程序把這個地址裝入CR3中）；
2、根據(jù)線性地址前10位，在頁目錄中找到對應(yīng)的索引項(xiàng)，頁目錄中的項(xiàng)是一個頁表的地址；
3、根據(jù)線性地址的中間10位，在頁表中找到頁的起始地址；
4、將頁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、用戶地址與內(nèi)核地址
Linux 操作系統(tǒng)和驅(qū)動程序運(yùn)行在內(nèi)核空間，應(yīng)用程序運(yùn)行在用戶空間，兩者不能簡單地使用指針傳遞數(shù)據(jù)，因?yàn)長inux使用的虛擬內(nèi)存機(jī)制，用戶空間的數(shù)據(jù)可能被換出，當(dāng)內(nèi)核空間使用用戶空間指針時，對應(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開始，最大896M的線性地址區(qū)間，我們稱作直接內(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）動態(tài)內(nèi)存映射區(qū)
又內(nèi)核函數(shù)vmalloc來進(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
用戶空間
用戶空間是0-3GB-1的空間范圍。這里就提前說一下程序鏡像加載到運(yùn)行的過程。
首先二進(jìn)制程序是放在外部存儲器中的，當(dāng)啟動一個進(jìn)程的時候先分配自己進(jìn)程的虛擬空間，這個時候?qū)⒊绦蜱R像加載到內(nèi)存（具體內(nèi)核過程下面介紹），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），然后這個時候進(jìn)程的空間就會映射（一定注意是映射，因?yàn)楦揪蜎]有這樣的地址，這只是個虛的），此時該進(jìn)程好像有了這個鏡像了，那么進(jìn)程執(zhí)行的時候根據(jù)線性地址找到物理地址（內(nèi)存）中的代碼執(zhí)行。就是這么簡單。
三、內(nèi)核分配內(nèi)存
在linux操作系統(tǒng)中，每個進(jìn)程都通過一個task_struct的結(jié)構(gòu)體描敘，每個進(jìn)程的地址空間都通過一個mm_struct描敘，c語言中的每個段空間都通過vm_area_struct表示，他們關(guān)系如下 :
當(dāng)運(yùn)行一個程序時，操作系統(tǒng)需要創(chuàng)建一個進(jìn)程，這個進(jìn)程和程序之間都干了些什么呢？
當(dāng)一個程序被執(zhí)行時，該程序的內(nèi)容必須被放到進(jìn)程的虛擬地址空間，對于可執(zhí)行程序的共享庫也是如此?？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)一個可執(zhí)行程序映射到進(jìn)程虛擬地址空間時，一組vm_area_struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將被產(chǎn)生。每個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sys_exec對可執(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.圈定一個虛擬用戶空間，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file句柄保存在vm_file中
4.將對應(yīng)段在磁盤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file的磁盤操作函數(shù)保存在vm_ops中
注意：這里沒有對應(yīng) 的頁目錄表項(xiàng)創(chuàng)建頁表，更不存在設(shè)置頁表項(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,那么將會執(zhí)行如下序列:
1.cpu依據(jù)CR3(current->pgd)找到0x08000011地址對應(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)存中分配一個頁表，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pt表項(xiàng)全部為0(pte[j]也為0);
3.為pte[j]分配一個真正的物理內(nèi)存頁面，依據(jù)vm_area_struct中的vm_file、vm_pgoff和vm_ops，調(diào)用filemap_nopage將磁盤file中vm_pgoff偏移處的內(nèi)容讀入到該物理頁面中，如下圖所示：
①。分配物理內(nèi)存頁面;
②。從磁盤文件中將內(nèi)容讀取到物理內(nèi)存頁面中
從上面我們可以知道，在進(jìn)程創(chuàng)建的過程中，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，我們可以把這個程序的開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，這個時候就會發(fā)生缺頁異常(nopage)，接著操作系統(tǒng)就會把磁盤上還沒有加載到內(nèi)存中的數(shù)據(jù)加載到物理內(nèi)存中，對應(yīng)的進(jìn)程頁表進(jìn)行更新。也許你會問，如果此時物理內(nèi)存滿了，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：
如果一個進(jìn)程想將一個虛擬頁裝入物理內(nèi)存，而又沒有可使用的空閑物理頁，操作系統(tǒng)就必須淘汰物理內(nèi)存中的其他頁來為此頁騰出空間。
在linux操作系統(tǒng)中，物理頁的描敘如下：
struct mem_map
{
1.本頁使用計數(shù)，當(dāng)該頁被許多進(jìn)程共享時計數(shù)將大于1.
2.age描敘本頁的年齡，用來判斷該頁是否為淘汰或交換的好候選
3.map_nr描敘物理頁的頁幀號
}
如果從物理內(nèi)存中被淘汰的頁來自于一個映像或數(shù)據(jù)文件，并且還沒有被寫過，則該頁不必保存，它可以丟掉。如果有進(jìn)程在需要該頁時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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