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 * linux的內(nèi)存管理
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到目前為止，內(nèi)存管理是unix內(nèi)核中最復(fù)雜的活動(dòng)。我們簡(jiǎn)單介紹一下內(nèi)存管理，并通過(guò)實(shí)例說(shuō)明如何在內(nèi)核態(tài)獲得內(nèi)存。

(1)各種地址

對(duì)于x86處理器，需要區(qū)分以下三種地址：

*邏輯地址(logical address)

只有x86支持。每個(gè)邏輯地址都由一個(gè)段(segment)和一個(gè)偏移量(offset)組成，偏移量指明了從段的開(kāi)始到實(shí)際地址之間的距離。

邏輯地址共48位，段選擇符16位，偏移量32位。linux對(duì)邏輯地址的支持很有限

*線性地址(linear address)

也稱為虛擬地址(virtual address)。

32位無(wú)符號(hào)整數(shù)，從0x0000,0000到0xffff,ffff，共4GB的地址范圍。無(wú)論是應(yīng)用程序還是驅(qū)動(dòng)程序，我們?cè)诔绦蛑惺褂玫牡刂范际翘摂M地址。

*物理地址(physical address)

32位無(wú)符號(hào)整數(shù)，與從CPU的地址引腳發(fā)送到存儲(chǔ)器總線上的電信號(hào)相對(duì)應(yīng)。用于存儲(chǔ)器尋址。

找一個(gè)程序，如scanf.c，運(yùn)行兩個(gè)，然后執(zhí)行下面指令觀察：

$>pmap $(pid)
$>cat /proc/$(pid)/maps

(2)物理內(nèi)存和虛擬內(nèi)存

a.物理內(nèi)存

就是系統(tǒng)中實(shí)際存在的RAM，比如我們常說(shuō)的一條256兆R(shí)AM。x86處理器和物理內(nèi)存之間是通過(guò)實(shí)際的物理線路連接的。

另外，x86處理器還通過(guò)主板連接了很多的外設(shè)，這些外設(shè)也通過(guò)實(shí)際的物理線路和處理器相連。

對(duì)于處理器來(lái)說(shuō)，多數(shù)的外設(shè)和RAM的訪問(wèn)方式是一致的，都是由程序發(fā)出物理地址訪問(wèn)實(shí)際的物理器件。

外設(shè)和RAM共享一個(gè)4G大小的物理內(nèi)存空間。

b.虛擬內(nèi)存

是在物理內(nèi)存之上為每個(gè)進(jìn)程構(gòu)架的一種邏輯內(nèi)存，處于應(yīng)用程序的內(nèi)存請(qǐng)求與硬件內(nèi)存管理單元(Memory Management Unit, MMU) 之間.MMU將應(yīng)用程序使用的虛擬內(nèi)存根據(jù)預(yù)先定義好的頁(yè)表轉(zhuǎn)化為物理地址，然后通過(guò)物理地址對(duì)實(shí)際的外設(shè)或RAM進(jìn)行訪問(wèn)。

虛擬內(nèi)存有很多用途和優(yōu)點(diǎn)：

• *若干個(gè)進(jìn)程可以并發(fā)地執(zhí)行
• *應(yīng)用程序所需內(nèi)存大于物理內(nèi)存時(shí)也可以運(yùn)行
• *程序只有部分代碼裝入內(nèi)存時(shí)進(jìn)程可以執(zhí)行它
• *允許每個(gè)進(jìn)程訪問(wèn)可用物理內(nèi)存的一個(gè)子集
• *進(jìn)程可以共享庫(kù)函數(shù)或程序的一個(gè)單獨(dú)內(nèi)存映像
• *程序是可重定位的，也就是說(shuō)，可以把程序放在物理內(nèi)存的任何地方
• *編程者可以編寫(xiě)與機(jī)器無(wú)關(guān)的代碼，不必關(guān)心物理內(nèi)存的組織結(jié)構(gòu)

(3)RAM的使用

linux將實(shí)際的物理RAM劃分為兩部分使用，其中若干兆字節(jié)專門(mén)用于存放內(nèi)核映像(也就是內(nèi)核代碼和內(nèi)核靜態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu))，RAM的其余部分通常由虛擬內(nèi)存系統(tǒng)來(lái)處理，并用在以下3種可能的方面：

• *滿足內(nèi)核對(duì)緩存，描述符和其他動(dòng)態(tài)內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的請(qǐng)求
• *滿足進(jìn)程對(duì)一般內(nèi)存區(qū)的請(qǐng)求及對(duì)文件內(nèi)存映射的請(qǐng)求
• *借助于高速緩存從磁盤(pán)及其他緩沖設(shè)備獲得較好的性能

虛擬內(nèi)存必須解決的一個(gè)主要問(wèn)題是內(nèi)存碎片，因?yàn)橥ǔ?nèi)核使用連續(xù)的物理內(nèi)存，所以碎片過(guò)多可能導(dǎo)致請(qǐng)求失敗。

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 * 在內(nèi)核中獲取內(nèi)存
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和在用戶空間中一樣，在內(nèi)核中也可以動(dòng)態(tài)分配和釋放內(nèi)存，但受到的限制要比用戶空間多一些。

(1)內(nèi)核中的內(nèi)存管理

內(nèi)核把物理頁(yè)作為內(nèi)存管理的基本單位。這主要是因?yàn)閮?nèi)存管理單元(MMU)是以頁(yè)為單位進(jìn)行虛擬地址和物理地址轉(zhuǎn)換的，從虛擬內(nèi)存的角度來(lái)看，頁(yè)就是最小單位。大多數(shù)32位體系結(jié)構(gòu)支持4KB的頁(yè)。

a.頁(yè)

內(nèi)核用struct page表示系統(tǒng)中的每個(gè)物理頁(yè)。

包括<linux/mm.h>就可以使用page，其實(shí)際定義在<linux/mm_types.h>

struct page{
 page_flags_t flags;
 atomic_t _count;
 atomic_t _mapcount;
 unsigned long private;
 struct address_space *mapping;
 pgoff_t index;
 struct list_head lru;
 void *virtual;
};

flags用于存放頁(yè)的狀態(tài)，定義在<linux/page-flags.h>，狀態(tài)包括頁(yè)是不是臟的，是不是被鎖定在內(nèi)存中等等。_count存放頁(yè)的引用計(jì)數(shù)。

page結(jié)構(gòu)與物理頁(yè)相關(guān)，并非與虛擬頁(yè)相關(guān)。結(jié)構(gòu)的目的再于描述物理內(nèi)存本身，而不是其中的數(shù)據(jù)。

內(nèi)核根據(jù)page結(jié)構(gòu)來(lái)管理系統(tǒng)中所有的頁(yè)，內(nèi)核通過(guò)page可以知道一個(gè)頁(yè)是否空閑(也就是頁(yè)有沒(méi)有被分配)。

如果頁(yè)已經(jīng)被分配，內(nèi)核還需要知道誰(shuí)擁有這個(gè)頁(yè)。

擁有者可能是用戶空間進(jìn)程，動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)核數(shù)據(jù)，靜態(tài)內(nèi)核代碼，或頁(yè)高速緩存等。

系統(tǒng)中的每個(gè)物理頁(yè)都要分配這樣一個(gè)結(jié)構(gòu)。如果結(jié)構(gòu)體40字節(jié)大小，則128MB物理內(nèi)存(4K的頁(yè))需要分配1MB多用于page結(jié)構(gòu)。

b.區(qū)

由于硬件的限制，內(nèi)核不能對(duì)所有的頁(yè)一視同仁。內(nèi)核使用區(qū)(zone)對(duì)具有相似特性的頁(yè)進(jìn)行分組。這些特性包括：

• *一些硬件只能用某些特定的內(nèi)存地址來(lái)執(zhí)行DMA
• *一些體系結(jié)構(gòu)其內(nèi)存的物理尋址范圍遠(yuǎn)大于虛擬尋址范圍，這樣，就有一些內(nèi)存不能永久地映射到內(nèi)核空間

針對(duì)這些限制，linux采用了三種區(qū)(<linux/mmzone.h>)：

• ZONE_DMA:這個(gè)區(qū)包含的頁(yè)能執(zhí)行DMA操作
• ZONE_NORMAL：這個(gè)區(qū)包含的都是能正常映射的頁(yè)
• ZONE_HIGHMEM：這個(gè)區(qū)包含高端內(nèi)存(大于896M)，其中的頁(yè)不能永久地映射到內(nèi)核的地址空間

對(duì)于x86，這3個(gè)區(qū)對(duì)于的物理內(nèi)存分別是：

• ZONE_DMA: <16MB
• ZONE_NORMAL： 16~896MB
• ZONE_HIGHMEM： >896MB

見(jiàn)<linux/mmzone.h>中的struct zone。

系統(tǒng)中只有3個(gè)這樣的區(qū)結(jié)構(gòu)。

(2)頁(yè)分配

內(nèi)核是使用頁(yè)進(jìn)行內(nèi)存管理的，因此，我們?cè)趦?nèi)核中也可以要求系統(tǒng)以頁(yè)為單位給我們分配內(nèi)存。當(dāng)然，以頁(yè)為單位分配可能造成內(nèi)存浪費(fèi)，因此，只有在我們確定需要整頁(yè)內(nèi)存時(shí)才調(diào)用他們。

a.分配

#include <linux/gfp.h>
1. struct page * alloc_pages(
    unsigned int gfp_mask, 
    unsigned int order);
//分配2的order次方個(gè)連續(xù)的物理頁(yè)。
2. void *page_address(
    struct page *page);
//返回一個(gè)指針，指向給定物理頁(yè)當(dāng)前的虛擬地址
3. unsigned long __get_free_pages(
    unsigned int gfp_mask, 
    unsigned int order);
//相當(dāng)于上兩個(gè)函數(shù)結(jié)合
4. struct page * alloc_page(
    unsigned int gfp_mask);
5. unsigned long __get_free_page(
    unsigned int gfp_mask);
6. unsigned long get_zeroed_page(
    unsigned int gfp_mask);
//只分配一頁(yè)

b.gfp_mask標(biāo)志

這個(gè)標(biāo)志決定了內(nèi)核在分配內(nèi)存時(shí)的行為，以及從哪里分配內(nèi)存。

#include <linux/gfp.h>
#define GFP_ATOMIC
//原子分配，不會(huì)休眠，可用于中斷處理。
#define GFP_KERNEL 
//首選，內(nèi)核可能會(huì)睡眠，用在進(jìn)程上下文中

c.釋放頁(yè)

void __free_pages(struct page *page,
    unsigned int order);
void free_pages(unsigned long addr,
    unsigned int order);
void free_page(unsigned long addr);

注意！只能釋放屬于你的頁(yè)。錯(cuò)誤的參數(shù)可能導(dǎo)致內(nèi)核崩潰。

(3)通過(guò)kmalloc獲取內(nèi)存

kmalloc和malloc很象，是內(nèi)核中最常用的內(nèi)存分配函數(shù)。

kmalloc不會(huì)對(duì)分配的內(nèi)存區(qū)域清0，分配的區(qū)域在物理內(nèi)存中是連續(xù)的。

a.分配

#include <linux/slab.h>
void *kmalloc(size_t size, int flags)

size是要求分配的內(nèi)存的大小

kmalloc的參數(shù)flags可以控制kmalloc分配時(shí)的行為。和alloc_page時(shí)使用的標(biāo)志是一致的。注意，kmalloc不能分配高端內(nèi)存

b.釋放

#include <linux/slab.h>
 void kfree(const void *ptr);

如果要釋放的內(nèi)存已經(jīng)被釋放了，或者釋放屬于內(nèi)核其他部分的內(nèi)存，則會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。調(diào)用kfree(NULL)是安全的。

要注意！內(nèi)核只能分配一些預(yù)定義的，固定大小的字節(jié)數(shù)組。kmalloc能處理的最小內(nèi)存塊是32或64。由于kmalloc分配的內(nèi)存在物理上連續(xù)，所以有分配上限，通常不要超過(guò)128KB。

(4)通過(guò)vmalloc獲得內(nèi)存

vmalloc()分配的內(nèi)存虛擬地址是連續(xù)的，但物理地址不需要連續(xù)。這也是malloc()的分配方式。vmalloc分配非連續(xù)的內(nèi)存塊，再修改頁(yè)表，把內(nèi)存映射到邏輯空間連續(xù)的區(qū)域內(nèi)。

大多數(shù)情況下，只有硬件設(shè)備需要得到物理地址連續(xù)的內(nèi)存，內(nèi)核可以使用通過(guò)vmalloc獲得的內(nèi)存。但內(nèi)核中多采用kmalloc，這主要是考慮性能，因?yàn)関malloc會(huì)引起較大的TLB抖動(dòng)，除非映射大塊內(nèi)存時(shí)采用vmalloc。例如模塊動(dòng)態(tài)加載時(shí)，就是加載到通過(guò)vmalloc分配的內(nèi)存。

vmalloc在<linux/vmalloc.h>聲明，在<mm/vmalloc.c>定義，用法和malloc()相同。

 void* vmalloc(unsigned long size);
 void vfree(void *addr);

vmalloc會(huì)引起睡眠  

(5)通過(guò)slab機(jī)制獲得內(nèi)存

分配和釋放數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是內(nèi)核最普遍的操作之一。

一種常用的方法是構(gòu)建一個(gè)空閑鏈表，其中包含有可供使用的，已經(jīng)分配好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)塊。

每次要分配數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就不用再申請(qǐng)內(nèi)存，而是直接從這個(gè)空閑鏈表中分配數(shù)據(jù)塊，釋放結(jié)構(gòu)時(shí)將內(nèi)存還回這個(gè)鏈表。

這實(shí)際上是一種對(duì)象高速緩存(緩存對(duì)象).

linux針對(duì)這種要求提供了一個(gè)slab分配器來(lái)完成這一工作。

slab分配器要在幾個(gè)基本原則之間尋求平衡：

• *頻繁使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)會(huì)頻繁分配和釋放，需要緩存
• *頻繁分配和回收必然導(dǎo)致內(nèi)存碎片，為避免這一現(xiàn)象，空閑鏈表中的緩存會(huì)連續(xù)存放，從而避免碎片
• *分配器可以根據(jù)對(duì)象大小，頁(yè)大小和總的高速緩存大小來(lái)進(jìn)行優(yōu)化

kmalloc就建立在slab之上。

a.創(chuàng)建一個(gè)新的高速緩存

#include <linux/slab.h>
struct kmem_cache *kmem_cache_create(
   const char *name, 
   size_t size,
   size_t align,
   unsigned long flags,
   void(*ctor)(...));

name: 高速緩存的名字。出現(xiàn)在/proc/slabinfo
size: 緩存中每個(gè)元素的大小
align: 緩存中第一個(gè)對(duì)象的偏移，常用0
flags:分配標(biāo)志。常用SLAB_HWCACHE_ALIGH，表明按cache行對(duì)齊,見(jiàn)slab.h

b.銷毀高速緩存

#include <linux/slab.h>
void kmem_cache_destroy(struct kmem_cache *cachep);

必須在緩存中的所有對(duì)象都被釋放后才能調(diào)用。

c.從高速緩存中獲得對(duì)象

void *kmem_cache_alloc(
   struct kmem_cache *cachep, int flags);
flags:
   GFP_KERNEL

d.將對(duì)象釋放回高速緩存

void kmem_cache_free(
   struct kmem_cache *cachep, void *objp);

可參見(jiàn)kernel/fork.c

(6)高端內(nèi)存的映射

在高端內(nèi)存中的頁(yè)不能永久地映射到內(nèi)核地址空間，因此，通過(guò)alloc_pages()函數(shù)以__GFP_HIGHMEM標(biāo)志獲得的頁(yè)不可能有虛擬地址。需要通過(guò)函數(shù)為其動(dòng)態(tài)分配。

a.映射

要映射一個(gè)給定的page結(jié)構(gòu)到內(nèi)核地址空間，可以使用：

void *kmap(struct page *page);

函數(shù)可以睡眠

b.解除映射

void kunmap(struct page* page);

總結(jié)

以上就是這篇文章的全部?jī)?nèi)容了，希望本文的內(nèi)容對(duì)大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價(jià)值，謝謝大家對(duì)腳本之家的支持。如果你想了解更多相關(guān)內(nèi)容請(qǐng)查看下面相關(guān)鏈接