Linux-内存管理

计算机操作系统课程小论文计算机操作系统课程小论文 Linux 内存管理机制内存管理机制 姓名 汪青松姓名 汪青松 班级班级 10 网络工程网络工程 1 班班 学号 学号 1004031010 Linux 内存管理机制内存管理机制 班级 10 级网络工程 1 班 姓名 汪青松 学号 1004031010 一 一 概述概述 现代操作系统允许多个程序同时运行 因此 内存中需要同时存放这些程序 操作系统采用的存储管理方案有分区存储管理 分页式存储管理 分段式存储 管理和段页式存储管理 在 Linux 平台上 多任务运行是不可或缺的 在合理的进程调度算法控制 下还得合理的管理内存机制 除了在物理内存的支持下 Linux 还得借助虚拟 内存等来容纳更多的程序运行 没有足够的内存空间来供程序运行 机器则会 出现假死机 服务异常等问题 如果 Linux 虽然可以在一段时间内自行恢复 但是恢复后的系统已经基本不可用了 因此 合理规划和设计 Linux 内存的使 用 是非常重要的 二 二 LinuxLinux 下内存管理框架下内存管理框架 在 Linux 中对于内存的管理涉及到 页面管理 连续内存区管理和非连续 存储区管理 而对于内存管理的方式通常为直接使用 使用 slab 分配器和使用 非连续的存储区 其 Linux 采用页作为内存管理的基本单位 其采用的标准的页面大小为 4KB 采用三次映射机制实现从线性地址到物理地址的映射 Linux 内核使用页描述 符来跟踪和管理物理内存 每个物理页面都用一个页描述符表示 页描述符用 struct page 的结构描述 所有物理页面的描述符组织在 men map 数组中 page 则是对物理页面描述的一个数据结构Linux 采用 buddy 算法来解决内存的碎片 问题 三 三 LinuxLinux 对虚拟内存的管理对虚拟内存的管理 在 Linux 中经常发现空闲内存很少 似乎所有的内存都被系统占用了 表 面感觉是内存不够用了 其实不然 这是 Linux 内存管理的一个优秀特性 在 这方面 区别于 Windows 的内存管理 主要特点是 无论物理内存有多大 Linux 都将其充份利用 将一些程序调用过的硬盘数据读入内存 利用内存读 写的高速特性来提高 Linux 系统的数据访问性能 而 Windows 是只在需要内存 时 才为应用程序分配内存 并不能充分利用大容量的内存空间 换句话说 每增加一些物理内存 Linux 都将能充分利用起来 发挥了硬件投资带来的好 处 而 Windows 只将其做为摆设 即使增加 8GB 甚至更大 Linux 的这一特性 主要是利用空闲的物理内存 划分出一部份空间 做为 cache 和 buffers 以此提高数据访问性能 从而引出物理内存的特性 对于从物理内存中虚拟出来的内存可以解决内存容量的问题 还拥有许多 的附加功能 诸如大地址空间 进程保护 内存映射 灵活分配物理内存 共 享虚拟内存等 Linux 对于虚拟内存的管理以进程为基础 如 32 位的线性进程映射到 4Gb 的虚拟空间中去 从 0XC0000000 到 0XFFFFFFFF 的 1Gb 空间为所用进程所共享 的内核空间 每个进程都有自己的 3Gb 用户空间 四 四 LinuxLinux 对物理内存的管理对物理内存的管理 在 Linux 中对于物理内存的管理主要是通过页面的方式 一 一 物理内存的页面管理 物理内存的页面管理 在内存基本框架中已经提起 Linux 对于物理内存的空间主要是通过分页的 方式来进行管理的 其具体做法就是将物理内存划分成大小相同的物理页面 在 X86 平台下每个页面的大小为 4KB 4KB 是大多数磁盘块大小的倍数 传输效 率高 管理方便 Linux 设置了一个 mem map 数组管理内存页面 它开始时由 free area init 来初始化创建 并且放在物理内存的底部 图一 mem map 数组结构 图二 Buddy 算法 2 2 空闲页面的管理 空闲页面的管理 BuddyBuddy 算法 算法 Buddy 的基本思想是 首先把内存中的所有页面按照 2n 划分其中 n 0 5 对一个内存空间按 1 个页面 2 个页面 4 个页面 8 个页面 16 个页面 32 个页面进行六次划分 划分后形成了大小不等的存储块称为页面块 简称页块 包含 1 个页面的页块称为 1 页块 包含 2 个页面的称为 2 页块 依此类推 Linux 把物理内存划分成了 1 2 4 8 16 32 六种页块 对于每种页面块按 前后顺序两两结合成一对 Buddy 伙伴 按照 1 页面划分后 0 和 1 页 2 和 3 页 是 1 页块 Buddy 按照 2 页面划分 0 1 和 2 3 4 5 和 6 7 是 2 页 块 BuddyLinux 把空闲的页面按照页块大小分组进行管理 用数组 free area 来 管理各个空闲页块组 在在 linux mm page alloc clinux mm page alloc c 中定义如下 中定义如下 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 内存空间的分配和释放内存空间的分配和释放 一 一 物理内存分配 物理内存分配 Linux 中在申请和释放较小的内存时 使用 kmalloc 和 kfree 在物理内 存中进行分配 这些内存是实际存在的 并且是连续的 并且是根据 slab 块来 分配 kmalloc 和 kfree 分配和释放内存是以块 block 为单位进行的 可以分配的空闲块的大小记录在 blocksize 表中 它是一个静态数组 定义在 mm kmalloc c 中 在使用 kmalloc 分配空闲块时仍以 Buddy 算法为基础 即以 free area 管理的空闲页面块做为分配对象 重新制定了分配的单位 blocksize 数组中的块长度 它可以分配比 1 个页面更小的内存空间 blocksize 中的前 7 个是在 1 个空闲页面内进行分配 其后的 6 种分别对应 free area 的 1 至 32 空闲页面块 当申请分配的空间小于或等于 1 个页面时 从 free area 管理的 1 页面块中查找空闲页面进行分配 若申请的空间大于 一个页面时 按照 blocksize 后六个块单位进行申请 从 free area 中与该 块长度对应的空闲页块组中查找空闲页面块 Free areaFree area 数组定义如下 数组定义如下 Typedef struct free area struct Struct list head free list Unsigned int map free area t 二 二 虚拟内存分配 虚拟内存分配 在分配在物理申请较大的内存空间时 使用 vmalloc 由 vmalloc 申请 的内存空间在虚拟内存中是连续的 它们映射到在物理内存时 可以使用不连 续的物理页面 而且仅把当前访问的部分放在物理页面中 VmallocVmalloc 申请内存如下 申请内存如下 define A MEGABYTE 1024 1024 int main char some memery int megabyte A MEGABYTE int exit code EXIT FAILURE some memery char valloc megabyte 申请内存 if some memery NULL sprintf some memery Hello world n 将字符串写入 some memery 所 指向内存 printf s some memery free some memery 释放内存 printf memery is free n exit code EXIT SUCCESS exit exit code 六 六 缓存和刷新机制缓存和刷新机制 在 Linux 中除了引入虚拟内存的概念外 在前面也提及了高速缓存的概念 为了更好的呃发挥系统性能 Linux 采用了一系列和内存相关的机制 1 1 缓存区高速缓存 缓存区高速缓存 包含了从设备中读取的数据块或写入设备的数据 块 缓冲区高速缓存由设备标示号和块索引 因此可以快速找到数据块 如果 数据可以在缓冲区中高速缓存中找到 则不需要从物理块设备上读取 从而加 快了访问速度 2 页高速缓存 页高速缓存 这一高速缓存用来加速对磁盘上的映像和数据访问 它用来缓存某个文件的逻辑内容 并通过文件 VFS 索引节点和偏移量访问 当 页从磁盘读到物理内存时 就缓存在页高速缓存 3 交换高速缓存 交换高速缓存 用于多个近程共享的页面被换出到交换区的情况 当页面交换到交换文件之后 如果有进程再次访问 它会被重新调入内存 Linux 需要从物理内存中交换出某个页面时 它首先分析交换缓存中的信息 如果缓存中包含该物理页面的一个非零页面表项 则说明该页面交换出内存后 还没有被修改过 这时 系统只需丢弃该页面 概括下就是我们提到的 cached buffers 和 swap buffers 与 cached 都是 内存操作 用来保存系统曾经打开过的文件以及文件属性信息 这样当操作系 统需要读取某些文件时 会首先在 buffers 与 cached 内存区查找 如果找到 直接读出传送给应用程序 如果没有找到需要数据 才从磁盘读取 这就是操 作系统的缓存机制 通过缓存 大大提高了操作系统的性能 但 buffers 与 cached 缓冲的内容却是不同的 buffers 是用来缓冲块设备做的 它只记录文 件系统的元数据 而 cached 是用来给文件做缓冲 更通俗一点说 buffers 主 要用来存放目录里面有什么内容 文件的属性以及权限等等 而 cached 直接 用来记忆我们打开过的文件和程序 这里给出有关交换缓存的部分函数及功能 位于 linux mm swap state c 中 七 七 总结总结 Linux作为一款免费 开源高效的操作系统 是近年来使用比较多的一款操 作系统 也应用于各个行业 在全世界范围内也有一大批爱好者 由于简单 巧妙和高效是Linux内核的原则 从而在Linux的发展过程中需要不断完善和优 化内存的管理单元的功能和性能 针对某些特殊和具体的领域和行业 还可以 根据自己