作者: sunmoon 内存管理是一个操作系统必不可少.并且.非常重要的一环.Linux的成功.和它优秀的内存管理联系 非常密切.因为一个系统的高效性欲稳定性往往决定于它的内存管理机制.我项很多人吃过dos下 640k 的苦吧. 前面我们介绍了386保护模式.从今天起我们将在此基础上,分析linux的虚拟存储管理,对每个程序 员来说.他们都希望有无穷大的快速的内存,然而,现阶段是不可能的,况且,无穷大与快速本身就可 能矛盾 为了解决无穷大.linux 引入了虚拟存储系统,为了解决快速,linux 引入了cache ,交换机制等等, 以使的存储系统,在容量上接近硬盘,速度上接近cache.(当然,我认为这是存储系统的实际目的). Linux 的内存管理采取的是分页机制.它的设计目的是分时多任务.linux 可同时处理256个任务 (这应该与某个变量来定义,一时想不起来).同时它采用了两级饱和机制来分别内核进程与用户进程. 在386 保护模式的0-4G 的线性虚拟地址中,3-4G 是留给内核进程的.而0-3G分给用户进程.内核在 内核空间的寻址不同于用户进程在用户空间的寻址.因为内核是在启动时装入内存的.说以它可以 直接吧地址映射到3G 以上.用户若想访问内核就不许通过swapper_pg_div 中的指针来得到页表. 相反,用户进程,在用户空间的寻址是通过所用户页目录中的指针得到用户的页表.并通过页表的指 针直接指向相应的物理内存. Linux虚拟内存的实现,需要几种不同的机制来实现: 地址映射机制 内存的分配与回收 请页机制 交换机制 内存共享机制 在具体的读源码之前.我们先根据我们以前学过的操作系统知识.和C语言等知识.来考虑一下,这几 个机制如何实现.现自己设计一下.在看别人是怎样实现的.找到自己想不到.或者对效率空间有损 的地方.这样才有进步.我不止一次的说.操作系统的某一部分,就起实现来说,非常简单.它的难点 是如何将大量的功能集成出一个kernerl. 地址映射机制,说白了,就是在虚拟内存与物理内存上的一个桥梁.它要做的事情可能就是通过几个 不同的表.把虚拟地址转换成物理地址,把物理地址转化虚拟地址. 我们以前说过.因为有系统与用户之分,它必须也要有不同的数据结构.为了解决速度等问题.它会 有一个硬件的缓冲区 对于它的数据结构.我们可以先想一下.如虚拟地址的信息,虚拟地址在那个区域等等 至于请页机制,更好理解.因为linux是页式存储的.因此必然会存在空白页和使用页.既然是页.就 必然会存在页溢出.页无效(是不是在win98 下经常出现类似错误,当然linux的内存管理不可能和 windows一样,可基本道理相同).因此.在每一个页出错.或者该页存不下多余的数据时.就要要求内 核分配新的页面 同时.当时用fork() 产生一个新的进程时.也需要分配新的叶面.这一部分大概讲的就是进程如何 向内和描述自己需要怎么样的和多少页 在我们学习<<数据结构>>是我们学了,很多内存分配方式,如首次拟和.最佳拟和,最差拟和等等.但 是我们可以想象.linux 大概不会用他们.那就一定是伙伴系统了.因此我们可以对于伙伴系统的分 配,回收的基本算法.回想一下.这样在读者一部分源码时,回有意象不到的收获. 至于交换机制.我们也可以现想一想.内存中总与很多使用者的页.如果这些也已经把所有的页都用 完了.再分配时必须把其中的某些页释放.释放那些页,需要考虑.如最近不用页.近期少用页,等等 都可以在考虑之中. 这个算法,大概就是计算内存中使用的页,什么时候可以换处.说白了就是为所有的使用页计算一 个”权”,而这个”权”就决定了他什么时候被释放以换如它的内容.需要想的是对于经常使用的页.可 以把它放入cahe.(尽管这一部分对程序员是透明的,但我们应该理解他的原理). 最后的一部分共享内存,我想和我门初学linux编程时,进程通讯里面的共享内存没有区别.大概也 就是在它的数据结构中加入可以允许不同进程访问的tag 就行了. 以上,只是我们对linux的内存管理机制的猜测,需要我们做的工作就是具体的读源码.更正不正确 的猜想.同时学习别人的实际思路. 地址的映射机制 地址的映射机制,主要完成主存.辅存.和虚存之间的关联.包括磁盘文件到虚存的映射和虚存与内 存的映射关系.为了虚拟存储和进程调度相一致.linux 采用可一系列的数据结构,和一个硬件缓存 (TLB)来实现地址映射机制. mm_strut 用来描述进程的缓存. strUCt mm_struct { struct vm_area_struct * mmap; /* list of VMAs */ struct vm_area_struct * mmap_avl; /* tree of VMAs */ struct vm_area_struct * mmap_cache; /* last find_vma result */ pgd_t * pgd; atomic_t count; int map_count; /* number of VMAs */ struct semaphore mmap_sem; spinlock_t page_table_lock; unsigned long context; unsigned long start_code, end_code, start_data, end_data; unsigned long start_brk, brk, start_stack; unsigned long arg_start, arg_end, env_start, env_end; unsigned long rss, total_vm, locked_vm; unsigned long def_flags; unsigned long cpu_vm_mask; unsigned long swap_cnt; /* number of pages to swap on next pass */ unsigned long swap_address; /* * This is an architecture-specific pointer: the portable * part of Linux does not know about any segments. */ void * segments; }; 他描述了一个进程的页目录,有关进程的上下文信息.以及数据.代码.堆栈的启示结束地址.还有虚 拟存储取得数目.以及调度存储用的链表指针.他的参差比较高 较高层次的vm_area-struct 是描述进程的虚拟地址区域.他形成一个算相链表.按虚地址下降排列 .这样当内核需要在一个给定进程页上执行给定操作时.客从双向列表中找到该项.在世想有关页的 处理.如.页错误.页换出等等 他的具体结构如下: struct vm_area_struct { struct mm_struct * vm_mm; /* VM area parameters */ unsigned long vm_start; unsigned long vm_end; /* linked list of VM areas per task, sorted by address */ struct vm_area_struct *vm_next; pgprot_t vm_page_prot; unsigned short vm_flags; /* AVL tree of VM areas per task, sorted by address */ short vm_avl_height; struct vm_area_struct * vm_avl_left; struct vm_area_struct * vm_avl_right; /* For areas with inode, the list inode->i_mmap, for shm areas, * the list of attaches, otherwise unused. */ struct vm_area_struct *vm_next_share; struct vm_area_struct **vm_pprev_share; struct vm_operations_struct * vm_ops; unsigned long vm_offset; struct file * vm_file; unsigned long vm_pte; /* shared mem */ }; 而page 结构 则是对物理页进行描述的一个数据结构,他不是一个真正的物理页.而只不过是描述 了一个物理页的内容和框架.作了逻辑页的一个标志;.他的标志域定义了这个页在进行的操作.链 域则定义了一个双项链表.时的页框.可以很容易的查找到.为实际物理内存的使用直到方便 他的具体结构如下 typedef struct page { /* these must be first (free area handling) */ struct page *next; struct page *prev; struct inode *inode; unsigned long offset; struct page *next_hash; atomic_t count; unsigned long flags; /* atomic flags, some possibly updated asynchronously */ wait_queue_head_t wait; struct page **pprev_hash; struct buffer_head * buffers; int owner; /* temporary debugging check */ } mem_map_t; 所有的page 结构将都被转入一个叫做mem_map 的数组中. 当一个进程运行时,他的代码段和数据段将都会被调入内存.如果它使用了共享库.共享客的内容也 将贝雕如内存.进程运行时.系统首先分配一个vm_area_struct 给进程.并将这各进程连结到虚拟 内存的连标中去.这是根据进程的可执行影像中的信息.吧数据段和客执行代码非配内存.新分配的 内存必须和进程已有的内存连结起来才能应用.这样聚会出现页故障.系统利用了请页机制来避免 对物理内存的过分使用.但进程访问的虚存不在当前的物理内存时,这时系统会将需要的页调入内 存.同时修改进程的页表.用来标志虚拟页是否在物理内存中. 因此,系统用了较复杂的数据结构来跟踪进程的虚拟地址.在task_struct 中包含一个指向 mm_struct 结构的指针.进程的mm_struct 中则包含了进程可执行影像的页目录指针pgd.还包含了 指向vm_area_struct 的几个指针,每个vm_area_struct 包含一个进程的虚拟地址区域. 一个进程有多个vm_area_stuct 结构.linux 要经常对进程分配..或调整vm_area_struct .这样对 vm_area_stuct 的查找效率.对系统很有影像.所以在这里将所有的vm_area_struct 形成了一个查 找效率较高的平衡二叉树结构. 我个人认为,在整个linux内核中这个地方.数据结构是最复杂的.如果把这一部分肯下来以后,整个 内核便开始清晰了
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