303-Linux虚拟内存和内核内存分配

约定不等于承诺〃 2023-01-18 09:10 595阅读 0赞

## Linux虚拟内存 ##

**虚拟内存寻址**  
Linux使用**三级页表**结构，由下面几种类型的表组成（每个表的大小都是一页）：  
1、**页目录**：一个活动进程有一个页目录，页目录为一页尺寸。页目录中的每一项指向页中间目录的一页。每个活动进程的页目录都必须在内存中。  
2、**页中间目录**：页中间目录可能跨越多个页。页中间目录中的每一项指向页表中的一页。  
3、**页表**：页表也可以跨越多个页。每个页表项指向该进程的一个虚拟页。

**为使用这个三级页表结构，Linux中的虚拟地址被看做是由4个域组成，如下图8.25所示**。  
最靠左也最重要的域作为页目录的索引，接下来的域作为页中间目录的索引，第三个域作为页表的索引，第四个域给出在内存中被选中页中的偏移量。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xJTlpFWVU2NjY_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
**Linux页表结构是与平台无关的，并且设计成适用于提供对三级分页的硬件支持的64位Alpha处理器**。对于64位地址，如果在Alpha中只使用两级页，可能会导致非常庞大的页表和目录。32位的Pentium/x86体系结构有两级硬件分页机制。Linux软件通过把页中间目录的大小定义成1来适应这种两级方案。由于对额外分级的所有访问是在编译时而不是在执行时被优化的。因此，在只支持两级页的硬件中使用通常的三级设计并没有额外的性能开销。  
**页分配**  
为提高往内存中读入和从内存中写出页的效率，Linux定义了一种机制，用于把连续的页映射到连续的页框中。基于这个目的，它使用了伙伴系统。内核维护一系列大小固定的连续页框组，一组可以包含1、2、4、8、16或32个页框。当一页在内存中被分配或解除分配时，可用的组使用伙伴算法被分裂或合并。  
**页面置换算法**  
Linux页面置换算法基于前面讲述的时钟算法。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xJTlpFWVU2NjY_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
在简单的时钟算法中，内存中的每一页都有一个使用位和一个修改位与之相关联。在Linux方案中，使用位被一个8位的age变量所取代。每当一页被访问时，age变量增1。在后台，Linux周期性地扫描全局页池，并且当它在内存中的所有页间循环时，将扫描的每一页的age变量减1。age为0的页是一个“旧”页，有较长一段时间未被访问过，是用于置换的最佳候选页。age的值越大，该页最近被使用的频率越高，从而越不适合于置换。因此，**Linux算法是一种基于最少使用频率的策略。**

## 内核内存分配 ##

**Linux内核内存管理物理内存页框，它主要的功能是为特定的使用分配和回收页框**。页框的可能拥有者包括**用户空间进程（即页框是某个进程的虚拟内存当前驻留在实存中的一部分）、动态分配的内核数据、静态内核代码以及页高速缓存。**  
Linux内核内存分配的基础是用于用户虚拟内存管理的页分配机制、在虚拟内存方案中，使用伙伴算法可以以一页或多页为单位，给内核分配或回收存储空间。由于按这种方式可以分配的内存最小量为一页，因而页分配程序可能由于内核需要小的占奇数页面的短寿命内存而效率很低。为适应这些小块，Linux在分配页时使用一种称为slab分配的方案。在Pentium/x86机器上，页尺寸为4KB，小于一页的块可以被分配给32、64、128、252、508、2040和4080个字节。  
Slab分配程序相对比较复杂。实际上，**Linux维护了一组链表，每种块大小对应一个链表。块可以按照类似于伙伴算法的方式分裂或合并，并且可以在链表间移动。**

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xJTlpFWVU2NjY_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221021/1f616e5f13fa47f8b29ea79d3a949f08.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xJTlpFWVU2NjY_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20221021/31385037796e411c9cb136219c7bbb7b.png