《liunx操作系統(tǒng)》課件14Linux內(nèi)核簡介-內(nèi)存管理

1、內(nèi)存管理Huizhi Zhao12:26內(nèi)存內(nèi)存(Memory) 暫時存放CPU中的運(yùn)算數(shù)據(jù)，與硬盤等外部存儲器交換的數(shù)據(jù)計算機(jī)中所有程序的運(yùn)行都是在內(nèi)存中進(jìn)行的RAM（Ramdom Access Memory），隨機(jī)存取存儲器，高速存取，如計算機(jī)內(nèi)存等ROM（Read Only Memory），只讀存儲器，存取速度低，斷電后信息不丟失，如計算機(jī)啟動用的BIOS芯片12:26內(nèi)存與硬盤內(nèi)存是計算機(jī)的工作場所，內(nèi)存中的信息會隨掉電而丟失硬盤用來存放暫時不用的信息，硬盤中的信息可以長久保存CPU與硬盤不發(fā)生直接的數(shù)據(jù)交換，CPU只是通過控制信號指揮硬盤工作，硬盤上的信息只有在裝入內(nèi)存后才能被處理1

2、2:26筆記本結(jié)構(gòu)示意圖12:26Cache與buffer為提高整體I/O效率，把剩余內(nèi)存劃分為cache及buffer兩部分加以利用，可以隨時被重用寫進(jìn)Buffer的數(shù)據(jù)是為了寫入其他設(shè)備，以塊形式緩沖塊設(shè)備的操作，一次性將很多改動寫入硬盤，避免頻繁寫硬盤，提高寫入效率寫進(jìn)cache的數(shù)據(jù)是為了其他設(shè)備從中讀取，以頁面形式緩存文件系統(tǒng)的文件，給需要的程序讀取，避免頻繁讀硬盤，提高讀效率12:26Linux中的Cache與bufferbuffers是指用來給文件系統(tǒng)做緩沖，只記錄文件系統(tǒng)的中介數(shù)據(jù)，用來存儲，目錄里面有什么內(nèi)容，權(quán)限等等cached是用來給數(shù)據(jù)做緩沖，用來保存所打開的文件內(nèi)容1

3、2:26內(nèi)存信息文件/proc/meminfo ： 系統(tǒng)整體內(nèi)存使用情況/proc/vmstat：虛擬內(nèi)存使用的一些實時統(tǒng)計值和累計統(tǒng)計值/proc/swaps：交換分區(qū)大小/proc/(pid)/maps：進(jìn)程的內(nèi)存段映射信息12:26/proc/meminfo12:26free查看內(nèi)存使用情況1035108=477976+557132937412=557132+42432+337848477976-97696=42432+337848=38028012:26vmstatr: 運(yùn)行隊列中進(jìn)程數(shù)量b: 堵塞的進(jìn)程數(shù)量in: 每秒中斷數(shù)，包括時鐘中斷cs: 每秒上下文切換數(shù)12:26內(nèi)存管理內(nèi)存

4、中的每個位置由一個獨一無二的地址標(biāo)識，內(nèi)存中的每個位置都包含一個值程序運(yùn)行時，內(nèi)存管理主要的目的是如何高效，快速的分配，并且在適當(dāng)?shù)臅r候釋放和回收內(nèi)存資源在早期的計算機(jī)中，程序是直接運(yùn)行在物理內(nèi)存上的，程序在運(yùn)行的過程中訪問物理地址，不需要內(nèi)存管理12:26內(nèi)存管理內(nèi)存為128M的機(jī)器上運(yùn)行三個程序：程序A需要10M，程序B需要100M，程序C需要20M1，地址空間不能隔離（程序A需要訪問11-128M地址段的數(shù)據(jù)，會導(dǎo)致B崩潰）2，同時運(yùn)行程序時內(nèi)存使用效率低（運(yùn)行AC，需要把B交換出）3，重定位問題（程序中引用的數(shù)據(jù)和函數(shù)位置不確定）12:26內(nèi)存管理在程序和物理內(nèi)存間引入虛擬內(nèi)存，對內(nèi)存

5、進(jìn)行分割（解決2問題），并使每個程序都有自己獨立的進(jìn)程地址空間（解決1、3問題）分段機(jī)制：將程序所需要的內(nèi)存地址空間大小的虛擬空間映射到某個物理地址空間分頁機(jī)制：把內(nèi)存地址空間分為若干個很小的固定大小的頁，每一頁的大小由內(nèi)存決定，提高內(nèi)存利用率12:26三類地址邏輯地址：程序代碼會產(chǎn)生邏輯地址，段中偏移地址線性地址：是邏輯地址到物理地址變換之間的中間層，邏輯地址加上相應(yīng)段的基地址生成線性地址物理地址：通過查詢頁表將線性地址轉(zhuǎn)變?yōu)榈刂房偩€上物理內(nèi)存的地址信號，是地址變換的最終結(jié)果12:26內(nèi)存管理單元Memory Mangement Unit，一個或一組芯片，負(fù)責(zé)從虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)化邏輯地

6、址是段標(biāo)識加段內(nèi)偏移量的形式，MMU通過查詢段表，把邏輯地址轉(zhuǎn)化為線性地址如果cpu開啟了分頁功能，MMU需要查詢頁表來將線性地址轉(zhuǎn)化為物理地址12:26分段機(jī)制把程序按內(nèi)容或函數(shù)關(guān)系分成段，每個段有自己的名字（編號）進(jìn)程的虛擬存儲空間都對應(yīng)于一個由“段號：段 內(nèi)偏移”構(gòu)成的二維地址12:2612:26獨立地址空間12:26Linux分頁機(jī)制Linux邏輯地址等于線性地址，所有的段（用戶代碼段、用戶數(shù)據(jù)段、內(nèi)核代碼段、內(nèi)核數(shù)據(jù)段）的線性地址有相同的起始地址邏輯地址表示由兩部分組成，表示該地址所在頁面的頁號p和表示頁內(nèi)位移d，即頁內(nèi)地址12:26分頁機(jī)制邏輯空間分頁將一個進(jìn)程的邏輯地址空間劃分成

7、若干大小相等的部分，每一部分稱為頁或頁面，每頁都有從0開始編號的頁號內(nèi)存空間分頁把內(nèi)存也劃分成與頁面相同大小的若干存儲塊，稱為內(nèi)存塊或內(nèi)存頁面，每頁都有一個頁號，從0開始編號頁面和內(nèi)存塊的大小是由硬件決定的12:26分頁機(jī)制12:26地址轉(zhuǎn)換12:26查看頁面大小/usr/bin/time v pwd12:26查看頁面大小getconf將系統(tǒng)配置變量值寫入標(biāo)準(zhǔn)輸出getconf PAGE_SIZE12:26分頁存儲為了找到每個頁面在內(nèi)存中對應(yīng)的物理塊，系統(tǒng)為進(jìn)程設(shè)置了頁面映射表（頁表），實現(xiàn)頁號到物理塊號的地址映射在分頁存儲情況下，系統(tǒng)以內(nèi)存塊為單位把內(nèi)存分給作業(yè)或進(jìn)程，一個進(jìn)程的若干頁可分別裝入物理上不相鄰的內(nèi)存塊中進(jìn)程的虛擬地址空間映射到機(jī)器的物理空間時具有更大的靈活性12:2612:26多級頁表地址映射12:26linux內(nèi)存管理使用交換和請求分頁存儲管理技術(shù)請求分頁存儲管理技術(shù)是在簡單分頁存儲技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，提供虛擬存儲器進(jìn)程運(yùn)行時，不必把整個進(jìn)程映射都放在內(nèi)存中，只需在內(nèi)存中保留當(dāng)前用到的那一部分頁面，減少對換時間和所需內(nèi)存空間允許進(jìn)程大小可大于可用內(nèi)存的總量，并允許更多進(jìn)程同時在內(nèi)存中執(zhí)行12:26請求分頁內(nèi)存管理示意圖12:26請求分頁內(nèi)存管理使得應(yīng)用程序認(rèn)為它擁有連續(xù)的可用的內(nèi)存（一個連續(xù)完整的