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五分鐘徹底搞懂你一直沒明白的Linux記憶體管理

現在的伺服器大部分都是執行在Linux上面的,所以,作為一個程式員有必要簡單地瞭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,在行程看來,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透過系統呼叫、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:

下麵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–>物理地址,物理地址最簡單:地址匯流排中傳輸的數字訊號,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,不過其中也有一些最佳化的思路。

bootmem再怎麼最佳化,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的冪次大小的空閑記憶體片段,如果要分配3page,去4page的串列裡面取一個,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?

static inline unsigned long

__find_buddy_index(unsigned long page_idx, unsigned int 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,我們可以透過cat /proc/buddyinfo獲取到各order中的空閑的頁面數。

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

為瞭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的空閑串列裡面去找(這樣得到的物理記憶體是連續的),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。

行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中為每個行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物理記憶體,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物理記憶體,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異常處理環節了,下麵來看!

缺頁異常

在實際需要某個虛擬記憶體區域的資料之前,和物理記憶體之間的對映關係不會建立。如果行程訪問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:訪問到線性地址

  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。

來源:WsztRush

連結:http://wsztrush.github.io/%E7%BC%96%E7%A8%8B%E6%8A%80%E6%9C%AF/2015/05/13/Linux-Memory.html



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