Linux内存管理解析(二) : 关于Linux内存管理的大体框架

什么是内存管理 ?

首先内存管理管理的主要对象是虚拟内存,但是虚拟内存对应的映射主要为物理内存,其次也可能通过交换空间把虚拟内存与硬盘映射起来,既然如此,那我们先了解物理内存的管理。

对于物理内存而言,首先我们需要知道的是,linux x86体系结构中内核主要处于 0 - 1G(物理地址)中。而物理内存是有限的。但我们又要为每个程序提供相互独立且连续的内存空间。正因如此我们引出了虚拟内存。

什么是虚拟内存?

虚拟内存 是 段寄存器:段变址寄存器 结合的结果。但是仅仅依赖这两个寄存器并不能得到什么有效的东西。要得到线性地址我们需要依赖分段机制。要得到物理地址我们需要分页机制。简而言之,虚拟地址+分段机制的映射得到线性地址,线性地址+分页机制的映射得到物理地址(实际上这个映射到物理地址都是依赖MMU(内存管理单元)来寻址的)。

如何利用虚拟地址保证每个进程都拥有独立且连续的内存空间呢？

在Linux中,基本上没怎么依赖分段机制来实现,主要是依赖分页机制。为什么这么说呢?因为对于除特定的进程之外的各个段描述符(一个进程可以有多个段,例如代码段,数据段等)的段基址都是从0开始的(也就是说在这里 逻辑地址 = 线性地址)。

至于如何利用分页机制来实现虚拟内存这个问题,就需要很长的讨论了,我们不妨简单的先概述一下:

对于每个进程而言,都有4G的虚拟内存,每个进程都用 task_struct(进程描述符) 来描述,每个进程的虚拟内存都用 mm_struct(虚拟内存区域描述符) 来描述,对于每个进程而言,都有自己的页全局目录,页全局表指向一个中间页目录(页目录表),而每个页目录项指向一个页表,其实这个所谓的页全局表在x86体系结构中也就是 CR3，而修改CR3的值,就能切换整个页目录,也就达到了切换虚拟内存的作用。对于一个进程而言,并不是所有的4G虚拟地址都是在进程初始化的时候就分配,而是在进程运行时,如若需要分配才动态分配,但分配地址其实就是修改页表项,使得当前进程的虚拟地址映射到物理地址。

在linux中进程有两种形态,第一种是用户态,第二种是内核态。只有在内核态的时候才能访问内核的数据和得到某些权限(io操作权限),于是linux把虚拟内存页分为了两块 : 用户空间和内核空间。

虚拟内存的划分(对于每个进程而言,用户空间映射的物理内存才是自己私有的内存,内核空间映射的物理内存是大家共享的):

虚拟内存在linux中被划分为两个部分 :

内核空间 : 虚拟内存为 3 - 4G 被作为 内核空间(内核空间几乎都是线性映射, 即 物理内存 = 虚拟内存 - 3G)

用户空间 : 虚拟内存为 0 - 3G 被作为 用户空间

既然内核被划分为两个部分,且内核空间和用户空间有很大的不同,于是就必须要用两种管理方式。但无论是内核空间内存管理还是用户空间内核管理,其实都是内核来管理的(用户进程对于如何管理内存是没有权限的)！区别在于是内核管理内核空间还是内核管理用户空间。

内核管理内核空间:

我们之前说过 : 内核主要处于 0 - 1G(物理地址)中,而我们对 0 - 1G 物理内存也进行了一个分区 :

 

  而 0 - 896M是内核在初始化的时候就已经映射到内核空间 3G -- 3G + 896M上了,且满足 物理内存 = 虚拟内存 - 3G。

为什么要设立三个分区?

ZONE_DMA : 为了兼容某些只能直接内存访问(也就是不通过MMU进行分段和分页),例如ISA设备只能访问物理内存的前16MB。

ZONE_NORMAL : 这部分已经很早就映射了。

ZONE_HIGHMEM : 为了解决一些体系结构(x86)物理寻址范围大于虚拟地址寻址范围(也就是多出来了物理地址)。于是采取动态映射的方式来利用一些未被映射的页。或者借助128MB高端内存地址空间访问所有物理内存(借一段地址空间，建立临时地址映射，用完后释放，达到这段地址空间可以循环使用，访问所有物理内存)。