Linux-內(nèi)存管理

計算機操作系統(tǒng)課程小論文計算機操作系統(tǒng)課程小論文 Linux 內(nèi)存管理機制內(nèi)存管理機制 姓名 汪青松姓名 汪青松 班級班級 10 網(wǎng)絡(luò)工程網(wǎng)絡(luò)工程 1 班班 學號 學號 1004031010 Linux 內(nèi)存管理機制內(nèi)存管理機制 班級 10 級網(wǎng)絡(luò)工程 1 班 姓名 汪青松 學號 1004031010 一 一 概述概述 現(xiàn)代操作系統(tǒng)允許多個程序同時運行 因此 內(nèi)存中需要同時存放這些程序 操作系統(tǒng)采用的存儲管理方案有分區(qū)存儲管理 分頁式存儲管理 分段式存儲 管理和段頁式存儲管理 在 Linux 平臺上 多任務(wù)運行是不可或缺的 在合理的進程調(diào)度算法控制 下還得合理的管理內(nèi)存機制 除了在物理內(nèi)存的支持下 Linux 還得借助虛擬 內(nèi)存等來容納更多的程序運行 沒有足夠的內(nèi)存空間來供程序運行 機器則會 出現(xiàn)假死機 服務(wù)異常等問題 如果 Linux 雖然可以在一段時間內(nèi)自行恢復 但是恢復后的系統(tǒng)已經(jīng)基本不可用了 因此 合理規(guī)劃和設(shè)計 Linux 內(nèi)存的使 用 是非常重要的 二 二 LinuxLinux 下內(nèi)存管理框架下內(nèi)存管理框架 在 Linux 中對于內(nèi)存的管理涉及到 頁面管理 連續(xù)內(nèi)存區(qū)管理和非連續(xù) 存儲區(qū)管理 而對于內(nèi)存管理的方式通常為直接使用 使用 slab 分配器和使用 非連續(xù)的存儲區(qū) 其 Linux 采用頁作為內(nèi)存管理的基本單位 其采用的標準的頁面大小為 4KB 采用三次映射機制實現(xiàn)從線性地址到物理地址的映射 Linux 內(nèi)核使用頁描述 符來跟蹤和管理物理內(nèi)存 每個物理頁面都用一個頁描述符表示 頁描述符用 struct page 的結(jié)構(gòu)描述 所有物理頁面的描述符組織在 men map 數(shù)組中 page 則是對物理頁面描述的一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Linux 采用 buddy 算法來解決內(nèi)存的碎片 問題 三 三 LinuxLinux 對虛擬內(nèi)存的管理對虛擬內(nèi)存的管理 在 Linux 中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)空閑內(nèi)存很少 似乎所有的內(nèi)存都被系統(tǒng)占用了 表 面感覺是內(nèi)存不夠用了 其實不然 這是 Linux 內(nèi)存管理的一個優(yōu)秀特性 在 這方面 區(qū)別于 Windows 的內(nèi)存管理 主要特點是 無論物理內(nèi)存有多大 Linux 都將其充份利用 將一些程序調(diào)用過的硬盤數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存 利用內(nèi)存讀 寫的高速特性來提高 Linux 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問性能 而 Windows 是只在需要內(nèi)存 時 才為應用程序分配內(nèi)存 并不能充分利用大容量的內(nèi)存空間 換句話說 每增加一些物理內(nèi)存 Linux 都將能充分利用起來 發(fā)揮了硬件投資帶來的好 處 而 Windows 只將其做為擺設(shè) 即使增加 8GB 甚至更大 Linux 的這一特性 主要是利用空閑的物理內(nèi)存 劃分出一部份空間 做為 cache 和 buffers 以此提高數(shù)據(jù)訪問性能 從而引出物理內(nèi)存的特性 對于從物理內(nèi)存中虛擬出來的內(nèi)存可以解決內(nèi)存容量的問題 還擁有許多 的附加功能 諸如大地址空間 進程保護 內(nèi)存映射 靈活分配物理內(nèi)存 共 享虛擬內(nèi)存等 Linux 對于虛擬內(nèi)存的管理以進程為基礎(chǔ) 如 32 位的線性進程映射到 4Gb 的虛擬空間中去 從 0XC0000000 到 0XFFFFFFFF 的 1Gb 空間為所用進程所共享 的內(nèi)核空間 每個進程都有自己的 3Gb 用戶空間 四 四 LinuxLinux 對物理內(nèi)存的管理對物理內(nèi)存的管理 在 Linux 中對于物理內(nèi)存的管理主要是通過頁面的方式 一 一 物理內(nèi)存的頁面管理 物理內(nèi)存的頁面管理 在內(nèi)存基本框架中已經(jīng)提起 Linux 對于物理內(nèi)存的空間主要是通過分頁的 方式來進行管理的 其具體做法就是將物理內(nèi)存劃分成大小相同的物理頁面 在 X86 平臺下每個頁面的大小為 4KB 4KB 是大多數(shù)磁盤塊大小的倍數(shù) 傳輸效 率高 管理方便 Linux 設(shè)置了一個 mem map 數(shù)組管理內(nèi)存頁面 它開始時由 free area init 來初始化創(chuàng)建 并且放在物理內(nèi)存的底部 圖一 mem map 數(shù)組結(jié)構(gòu) 圖二 Buddy 算法 2 2 空閑頁面的管理 空閑頁面的管理 BuddyBuddy 算法 算法 Buddy 的基本思想是 首先把內(nèi)存中的所有頁面按照 2n 劃分其中 n 0 5 對一個內(nèi)存空間按 1 個頁面 2 個頁面 4 個頁面 8 個頁面 16 個頁面 32 個頁面進行六次劃分 劃分后形成了大小不等的存儲塊稱為頁面塊 簡稱頁塊 包含 1 個頁面的頁塊稱為 1 頁塊 包含 2 個頁面的稱為 2 頁塊 依此類推 Linux 把物理內(nèi)存劃分成了 1 2 4 8 16 32 六種頁塊 對于每種頁面塊按 前后順序兩兩結(jié)合成一對 Buddy 伙伴 按照 1 頁面劃分后 0 和 1 頁 2 和 3 頁 是 1 頁塊 Buddy 按照 2 頁面劃分 0 1 和 2 3 4 5 和 6 7 是 2 頁 塊 BuddyLinux 把空閑的頁面按照頁塊大小分組進行管理 用數(shù)組 free area 來 管理各個空閑頁塊組 在在 linux mm page alloc clinux mm page alloc c 中定義如下 中定義如下 define NR MEN LIST 6 Static struct free area struct free men NR MEN LIST Struct free area struct Struct page next Struct page prev Unsigned int map 五 五 內(nèi)存空間的分配和釋放內(nèi)存空間的分配和釋放 一 一 物理內(nèi)存分配 物理內(nèi)存分配 Linux 中在申請和釋放較小的內(nèi)存時 使用 kmalloc 和 kfree 在物理內(nèi) 存中進行分配 這些內(nèi)存是實際存在的 并且是連續(xù)的 并且是根據(jù) slab 塊來 分配 kmalloc 和 kfree 分配和釋放內(nèi)存是以塊 block 為單位進行的 可以分配的空閑塊的大小記錄在 blocksize 表中 它是一個靜態(tài)數(shù)組 定義在 mm kmalloc c 中 在使用 kmalloc 分配空閑塊時仍以 Buddy 算法為基礎(chǔ) 即以 free area 管理的空閑頁面塊做為分配對象 重新制定了分配的單位 blocksize 數(shù)組中的塊長度 它可以分配比 1 個頁面更小的內(nèi)存空間 blocksize 中的前 7 個是在 1 個空閑頁面內(nèi)進行分配 其后的 6 種分別對應 free area 的 1 至 32 空閑頁面塊 當申請分配的空間小于或等于 1 個頁面時 從 free area 管理的 1 頁面塊中查找空閑頁面進行分配 若申請的空間大于 一個頁面時 按照 blocksize 后六個塊單位進行申請 從 free area 中與該 塊長度對應的空閑頁塊組中查找空閑頁面塊 Free areaFree area 數(shù)組定義如下 數(shù)組定義如下 Typedef struct free area struct Struct list head free list Unsigned int map free area t 二 二 虛擬內(nèi)存分配 虛擬內(nèi)存分配 在分配在物理申請較大的內(nèi)存空間時 使用 vmalloc 由 vmalloc 申請 的內(nèi)存空間在虛擬內(nèi)存中是連續(xù)的 它們映射到在物理內(nèi)存時 可以使用不連 續(xù)的物理頁面 而且僅把當前訪問的部分放在物理頁面中 VmallocVmalloc 申請內(nèi)存如下 申請內(nèi)存如下 define A MEGABYTE 1024 1024 int main char some memery int megabyte A MEGABYTE int exit code EXIT FAILURE some memery char valloc megabyte 申請內(nèi)存 if some memery NULL sprintf some memery Hello world n 將字符串寫入 some memery 所 指向內(nèi)存 printf s some memery free some memery 釋放內(nèi)存 printf memery is free n exit code EXIT SUCCESS exit exit code 六 六 緩存和刷新機制緩存和刷新機制 在 Linux 中除了引入虛擬內(nèi)存的概念外 在前面也提及了高速緩存的概念 為了更好的呃發(fā)揮系統(tǒng)性能 Linux 采用了一系列和內(nèi)存相關(guān)的機制 1 1 緩存區(qū)高速緩存 緩存區(qū)高速緩存 包含了從設(shè)備中讀取的數(shù)據(jù)塊或?qū)懭朐O(shè)備的數(shù)據(jù) 塊 緩沖區(qū)高速緩存由設(shè)備標示號和塊索引 因此可以快速找到數(shù)據(jù)塊 如果 數(shù)據(jù)可以在緩沖區(qū)中高速緩存中找到 則不需要從物理塊設(shè)備上讀取 從而加 快了訪問速度 2 頁高速緩存 頁高速緩存 這一高速緩存用來加速對磁盤上的映像和數(shù)據(jù)訪問 它用來緩存某個文件的邏輯內(nèi)容 并通過文件 VFS 索引節(jié)點和偏移量訪問 當 頁從磁盤讀到物理內(nèi)存時 就緩存在頁高速緩存 3 交換高速緩存 交換高速緩存 用于多個近程共享的頁面被換出到交換區(qū)的情況 當頁面交換到交換文件之后 如果有進程再次訪問 它會被重新調(diào)入內(nèi)存 Linux 需要從物理內(nèi)存中交換出某個頁面時 它首先分析交換緩存中的信息 如果緩存中包含該物理頁面的一個非零頁面表項 則說明該頁面交換出內(nèi)存后 還沒有被修改過 這時 系統(tǒng)只需丟棄該頁面 概括下就是我們提到的 cached buffers 和 swap buffers 與 cached 都是 內(nèi)存操作 用來保存系統(tǒng)曾經(jīng)打開過的文件以及文件屬性信息 這樣當操作系 統(tǒng)需要讀取某些文件時 會首先在 buffers 與 cached 內(nèi)存區(qū)查找 如果找到 直接讀出傳送給應用程序 如果沒有找到需要數(shù)據(jù) 才從磁盤讀取 這就是操 作系統(tǒng)的緩存機制 通過緩存 大大提高了操作系統(tǒng)的性能 但 buffers 與 cached 緩沖的內(nèi)容卻是不同的 buffers 是用來緩沖塊設(shè)備做的 它只記錄文 件系統(tǒng)的元數(shù)據(jù) 而 cached 是用來給文件做緩沖 更通俗一點說 buffers 主 要用來存放目錄里面有什么內(nèi)容 文件的屬性以及權(quán)限等等 而 cached 直接 用來記憶我們打開過的文件和程序 這里給出有關(guān)交換緩存的部分函數(shù)及功能 位于 linux mm swap state c 中 七 七 總結(jié)總結(jié) Linux作為一款免費 開源高效的操作系統(tǒng) 是近年來使用比較多的一款操 作系統(tǒng) 也應用于各個行業(yè) 在全世界范圍內(nèi)也有一大批愛好者 由于簡單 巧妙和高效是Linux內(nèi)核的原則 從而在Linux的發(fā)展過程中需要不斷完善和優(yōu) 化內(nèi)存的管理單元的功能和性能 針對某些特殊和具體的領(lǐng)域和行業(yè) 還可以 根據(jù)自己