7.13 Linux内存管理

内存寻址方式的发展历程

• 直接寻址, 程序都是通过硬编码的形式绝对定位到内存地址。这种情况下的程序都有明显的缺点：可控性弱、难以重定位、难以维护等
• 分段, 段的地址存放在寄存器中, 把 1M 的空间分成数个 64K（16位寄存器可寻址）的段来管理, 8086 处理器为程序使用的代码段、数据段、堆栈段分别提供了专门的 16 位寄存器用于保存这些段的段基址。引入了分段机制后，程序的地址不再需要硬编码了，调试错误也更加容易定位，同时更加重要的是支持了更大的内存地址空间。

分页和虚拟内存

• 虚拟内存, 允许程序使用的内存大于计算机的实际内存; 虚拟内存技术本质上将部分硬盘空间映射到内存中的一种技术，这样使得程序可以使用的内存空间变大了, 如果程序访问的地址不在内存中时（放在外部磁盘空间中），就需要将访问地址所对应磁盘空间的程序内容加载到内存中，在加载的过程中可能面临着旧程序内容的置换
• 内存寻址过程分析, 逻辑地址到物理地址的转换过程, 逻辑地址 –>(分段机制) 线性地址 –>(分页机制) 物理地址
  • 逻辑地址：程序代码中一个操作数或者一条指令的地址
  • 线性地址：虚拟地址可映射 4G 内存空间（分页机制的产物，逻辑上连续）
  • 物理地址：处理器的引脚发送到内存总线上的电信号相对应
• 分段机制
  • 代码中使用到的逻辑地址由两部分组成: 1). 段选择符: 16 位长的字段; 2). 段内偏移地址：32 位长的字段（最大的段大小为 4GB）
  • 段描述符, 段描述符存放在全局描述符表（GDT）和局部描述符表（LDT）中
  • 快速访问段描述符, 由段选择符来索引实际的段描述符还需要查找 GDT 或者 LDT 表, 为了加速逻辑地址到线性地址的转换过程，80x86提供了一种附加的非编程寄存器，即每当一个段选择符装入寄存器时，相对应的段描述符就由内存装入到这个非编程寄存器中
  • 地址转换的过程, 一个逻辑地址由段选择符和段内偏移组成，在转换成线性地址时, 分段单元执行以下操作:
    • 先检查段选择符的 TI 字段，判断这个段的段描述符是存放在 GDT 中还是 LDT 中
    • 然后由段选择符中的 Index 索引到实际的段描述符
    • 将 Index 索引到实际的段描述符的地址 * 8，再加上 gdtr 或者 ldtr 寄存器中的值。这个过程就完成了段起始的位置的计算
    • 最后把计算的结果加上逻辑地址中的段内偏移就得到了线性地址
• 分页机制
  • 页, 对应着线性地址，线性地址被分成以固定大小为单位的组，称为页，页大小一般为4K
  • 页框, 对应着物理地址，物理地址也就是 RAM，被分成固定大小的页框，每个页框对应一个实际的页
  • 页表, 用来将页映射到具体的页框中的数据结构
  • 分页
    • 每个页的大小为 4KB，为了映射 4GB 的物理空间，页表中将会有 1MB（2^20） 的映射项, 避免每个程序保存大页表, 引出了多级页表的概念，也称为页目录
    • 线性地址的转换过程需要两步, 1). 查找页目录找到具体的页表; 2). 然后查找页表，找到具体的页
    • 线性地址, 分为3部分; 1). Directory：决定页目录中的目录项，10位大小; 2). Table：决定页表中的表项，10位大小; 3). Offset：页框的相对位置

用户空间

用户空间中进程的内存，称为进程地址空间

• 进程地址空间
  • 每个进程都有一个32位或64位的地址空间，取决于体系结构, 一个进程可寻址4GB的虚拟内存（32位地址空间中），但不是所有虚拟地址都有权访问。对于进程可访问的地址空间称为内存区域。每个内存区域都具有对相关进程的可读、可写、可执行属性等相关权限设置。
  • 内存区域包含
    • 代码段(text section): 可执行文件代码
    • 数据段(data section): 可执行文件的已初始化全局变量（静态分配的变量和全局变量）
    • bss段: 程序中未初始化的全局变量，零页映射
    • 进程用户空间栈的零页映射
    • 每一个诸如C库或动态连接程序等共享库的代码段、数据段和bss也会被载入进程的地址空间
    • 任何内存映射文件
    • 任何共享内存段
    • 任何匿名的内存映射
• 内存描述符

struct mm_struct
{
  struct vm_area_struct *mmap;
  rb_root_t mm_rb;
  ...
  atomic_t mm_users;
  atomic_t mm_count;

  struct list_head mmlist;
  ...
};

• 虚拟内存区域(VMA)

struct vm_area_struct {
  struct mm_struct * vm_mm;  //内存描述符
  unsigned long  vm_start;   //区域的首地址
  unsigned long vm_end;      //区域的尾地址
  struct vm_area_struct * vm_next; //VMA链表
  pgrot t_vm_page_prot;   //访问控制权限
  unsigned long vm_flags;   //保护标志位和属性标志位
  struct rb_node_ vm_rb;   //VMA的红黑树结构
  ...
  struct vm_operations_struct * vm_ops; //相关的操作表
  struct file * vm_file; //指向被映射的文件的指针
  void * vm_private_data; //设备驱动私有数据，与内存管理无关。
}

缺页中断

• 当一个进程发生缺页中断的时候，进程会陷入内核态，执行以下操作:
  1. 检查要访问的虚拟地址是否合法
  2. 查找/分配一个物理页
  3. 填充物理页内容
  4. 建立映射关系（虚拟地址到物理地址）

内存分配原理

• 从操作系统角度来看，进程分配内存有两种方式，分别由两个系统调用完成: brk和mmap（不考虑共享内存）
  1. brk是将数据段(.data)的最高地址指针_edata往高地址推
  2. mmap是在进程的虚拟地址空间中（堆和栈中间，称为文件映射区域的地方）找一块空闲的虚拟内存
• 这两种方式分配的都是虚拟内存，没有分配物理内存。在第一次访问已分配的虚拟地址空间的时候，发生缺页中断，操作系统负责分配物理内存，然后建立虚拟内存和物理内存之间的映射关系。
• 在标准C库中，提供了malloc/free函数分配释放内存，这两个函数底层是由brk, mmap, munmap这些系统调用实现的

参考

• 内存寻址之段页存储机制分析
• Linux内存管理
• 浅谈Linux内存管理
• 内存分配的原理