Linux記憶體管理精述

現在的伺服器大部分都是執行在Linux上面的，所以，作為一個程式設計師有必要簡單地了解一下系統是如何執行的。對於記憶體部分需要知道：

1. 地址對映
2. 記憶體管理的方式
3. 缺頁異常

先來看一些基本的知識，在進程看來，記憶體分為核心態和使用者態兩部分，經典比例如下：

從使用者態到核心態一般通過系統呼叫、中斷來實現。使用者態的記憶體被劃分為不同的區域用於不同的目的：

當然核心態也不會無差別地使用，所以，其劃分如下：

下面來仔細看這些記憶體是如何管理的。

地址

在Linux內部的地址的對映過程為邏輯地址–>線性地址–>實體地址，實體地址最簡單：地址匯流排中傳輸的數位信號，而線性地址和邏輯地址所表示的則是一種轉換規則，線性地址規則如下：

這部分由MMU完成，其中涉及到主要的暫存器有CR0、CR3。機器指令中出現的是邏輯地址，邏輯地址規則如下：

在Linux中的邏輯地址等於線性地址，也就是說Inter為了相容把事情搞得很複雜，Linux簡化順便偷個懶。

記憶體管理的方式

在系統boot的時候會去探測記憶體的大小和情況，在建立複雜的結構之前，需要用一個簡單的方式來管理這些記憶體，這就是bootmem，簡單來說就是點陣圖，不過其中也有一些優化的思路。

bootmem再怎麼優化，效率都不高，在要分配記憶體的時候畢竟是要去遍歷，buddy系統剛好能解決這個問題：在內部儲存一些2的冪次大小的空閒記憶體片段，如果要分配3page，去4page的列表裡面取一個，分配3個之後將剩下的1個放回去，記憶體釋放的過程剛好是一個逆過程。用一個圖來表示：

可以看到0、4、5、6、7都是正在使用的，那麼，1、2被釋放的時候，他們會合併嗎？

staticinlineunsignedlong
__find_buddy_index(unsignedlong page_idx,unsignedint order){return page_idx ^(1<< order);// 更新最高位，0～1互換}

從上面這段程式碼中可以看到，0、1是buddy，2、3是buddy，雖然1、2相鄰，但他們不是。記憶體碎片是系統執行的大敵，夥伴系統機制可以在一定程度上防止碎片~~另外，我們可以通過cat /proc/buddyinfo獲取到各order中的空閒的頁面數。

夥伴系統每次分配記憶體都是以頁（4KB）為單位的，但系統執行的時候使用的絕大部分的資料結構都是很小的，為一個小物件分配4KB顯然是不划算了。Linux中使用slab來解決小物件的分配：

在執行時，slab向buddy“批發”一些記憶體，加工切塊以後“散賣”出去。隨著大規模多處理器系統和NUMA系統的廣泛應用，slab終於暴露出不足：

1. 複雜的佇列管理
2. 管理資料和佇列儲存開銷較大
3. 長時間執行partial佇列可能會非常長
4. 對NUMA支援非常複雜

為了解決這些高手們開發了slub：改造page結構來削減slab管理結構的開銷、每個CPU都有一個本地活動的slab(kmem_cache_cpu)等。對於小型的嵌入式系統存在一個slab模擬層slob，在這種系統中它更有優勢。

小記憶體的問題算是解決了，但還有一個大記憶體的問題：用夥伴系統分配10 x 4KB的資料時，會去16 x 4KB的空閒列表裡面去找（這樣得到的實體記憶體是連續的），但很有可能系統裡面有記憶體，但是夥伴系統分配不出來，因為他們被分割成小的片段。那麼，vmalloc就是要用這些碎片來拼湊出一個大記憶體，相當於收集一些“邊角料”，組裝成一個成品後“出售”：

之前的記憶體都是直接對映的，第一次感覺到頁式管理的存在:D 另外對於高階記憶體，提供了kmap方法為page分配一個線性地址。

進程由不同長度的段組成：程式碼段、動態庫的程式碼、全域性變數和動態產生資料的堆、棧等，在Linux中為每個進程管理了一套虛擬地址空間：

在我們寫程式碼malloc完以後，並沒有馬上佔用那麼大的實體記憶體，而僅僅是維護上面的虛擬地址空間而已，只有在真正需要的時候才分配實體記憶體，這就是COW（COPY-ON-WRITE:寫時複製）技術，而物理分配的過程就是最複雜的缺頁例外處理環節了，下面來看!

缺頁異常

在實際需要某個虛擬記憶體區域的資料之前，和實體記憶體之間的對映關係不會建立。如果進程存取的虛擬地址空間部分尚未與頁幀關聯，處理器自動引發一個缺頁異常。在核心處理缺頁異常時可以拿到的資訊如下：

1. cr2：存取到線性地址
2. err_code：異常發生時由控制單元壓入棧中，表示發生異常的原因
3. regs：發生異常時暫存器的值

處理的流程如下：

發生缺頁異常的時候，可能因為不常使用而被swap到磁碟上了，swap相關的命令如下：

如果記憶體是mmap對映到記憶體中的，那麼在讀、寫對應記憶體的時候也會產生缺頁異常。

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