Linux記憶體管理及其基本概念__Linux

1. 基本概念

1.1 地址

（1）邏輯地址：指由程式產生的與段相關的位移地址部分。在C語言指標中，讀取指標變數本身值(&操作)，實際上這個值就是邏輯地址，它是相對於你當前進程資料區段的地址。

（2）線性地址：段中的位移地址（邏輯地址），加上相應段的基地址就產生了一個線性地址。

（3）物理地址： 放在定址匯流排上的地址。

（4）虛擬位址：保護模式下段和段內位移量組成的地址，而邏輯地址就是程式碼片段內位移量，或稱進程的邏輯地址。

1.2 記憶體

（1） 虛擬記憶體：電腦系統記憶體管理的一種技術。它使得應用程式認為它擁有連續的可用的記憶體（一個連續完整的地址空間），而實際上，它通常是被分隔成多個實體記憶體片段，還有部分暫時儲存在外部磁碟儲存空間上，在需要時進行資料交換。與沒有使用虛擬記憶體技術的系統相比，使用這種技術的系統使得大型程式的編寫變得更容易，對真正的實體記憶體（例如RAM）的使用也更有效率。

（2） 實體記憶體：實際的記憶體。物理地址被分成離散的單元，成為頁（page）。目前大多數系統的頁面大小都為4k。

1.3 地址轉換

Linux採用段頁式管理機制，有兩個組件用於地址轉換：分段組件和分頁組件。

（1） 分段組件：將邏輯地址轉換為線性地址。分段提供了隔絕各個代碼、資料和堆棧地區的機制，因此多個程式（任務）可以運行在同一個處理器上而不會互相干擾。

（2） 分頁組件：將線性地址轉換為物理地址（頁表和頁目錄），若沒有啟用分頁機制，那麼線性地址直接就是物理地址。

2. 記憶體配置 kmalloc和vmalloc是分配的是核心的記憶體,malloc分配的是使用者的記憶體 kmalloc保證分配的記憶體在物理上是連續的,vmalloc保證的是在虛擬位址空間上的連續,malloc不保證任何東西(這點是自己猜測的,不一定正確) kmalloc能分配的大小有限(一般小於128 K。它是基於slab（記憶體池）的，以加快小記憶體申請效率),vmalloc和malloc能分配的大小相對較大 記憶體只有在要被DMA訪問的時候才需要物理上連續 vmalloc比kmalloc要慢

 注釋：

 1）核心空間和使用者空間有什麼不同

學c語言的時候應該學過，從使用者空間看，每個進程都傻乎乎的以為自己有4G的記憶體空間，其中位於高地址（3G-4G）的1G空間給核心用，另外的3G（0-3G）都是它一個人獨佔的。所以使用者空間很慷慨的把3G的空間分了好幾個地區，如堆、棧、程式碼片段等。其中，malloc()分配的空間位於堆，而程式中的自動變數，如你在函數內定義的“int i”，它是放在棧上，同時。使用者空間的棧是可變棧，即隨著資料的增多，對應函數的棧空間也會增多。

跟每個使用者空間的進程不一樣，核心只有1G的空間，同時，除了自己本身有進程運行外，核心還要允許使用者空間進程調用系統調用進入核心空間去執行。所以，核心對此相當吝嗇，它規定在核心中的每個進程都只有4KB或8KB（32位下）的定長棧。出於這樣的原因，大的資料結構就不能在棧中分配，只能請求核心分配新的空間來存放資料，如函數kmalloc()。

 2）為什麼進程在核心空間有堆棧，作用是什麼?

進程在執行系統調用或被中斷時，進入核心空間，核心中的程式執行如局部變數、函數調用等都需要堆棧。作用和使用者態下的堆棧作用是類似的。

3. 常見問題

（1） 調用malloc函數後，OS會馬上分配實際的記憶體空間嗎。

答：不會，只會返回一個虛擬位址，待使用者要使用記憶體時，OS會發出一個缺頁中斷，此時，記憶體管理模組才會為程式分配真正的記憶體。

（2） 段式管理和頁式管理的優缺點。

在段式儲存管理中，將程式的地址空間劃分為若干個段(segment)，這樣每個進程有一個二維的地址空間，相互獨立，互不干擾。程式通過分段劃分為多個模組，如程式碼片段、資料區段、共用段。這樣做的優點是：可以分別編寫和編譯來源程式的一個檔案，並且可以針對不同類型的段採取不同的保護，也可以按段為單位來進行共用。段式儲存管理的優點是：沒有內片段，外片段可以通過記憶體緊縮來消除；便於實現記憶體共用。

在頁式儲存管理中，將程式的邏輯地址空間劃分為固定大小的頁(page)，而實體記憶體劃分為同樣大小的頁框(pageframe)。程式載入時，可將任意一頁放人記憶體中任意一個頁框，這些頁框不必連續，從而實現了離散分配。這種管理方式的優點是，沒有外片段，且一個程式不必連續存放。這樣就便於改變程式佔用空間的大小。

頁式和段式系統有許多相似之處。比如，兩者都採用離散分配方式，且都通過地址映射機構來實現地址變換。但概念上兩者也有很多區別，主要表現在： [1] 頁是資訊的物理單位，分頁是為了實現離散分配方式，以減少記憶體的外零頭，提高記憶體的利用率。或者說，分頁僅僅是由於系統管理的需要，而不是使用者的需要。段是資訊的邏輯單位，它含有一組其意義相對完整的資訊。分段的目的是為了更好地滿足使用者的需要。

[2] 頁的大小固定且由系統決定，把邏輯地址劃分為頁號和頁內地址兩部分，是由機器硬體實現的。段的長度不固定，且決定於使用者所編寫的程式，通常由編譯系統在對來源程式進行編譯時間根據資訊的性質來劃分。

[3] 頁式系統地址空間是一維的，即單一的線性地址空間，程式員只需利用一個標識符，即可表示一個地址。分段的作業地址空間是二維的，程式員在標識一個地址時，既需給出段名，又需給出段內地址。

（3） Malloc在什麼情況下調用mmap。

從作業系統角度來看，進程分配記憶體有兩種方式，分別由兩個系統調用完成：brk和mmap（不考慮共用記憶體）。brk是將資料區段(.data)的最高地址指標_edata往高地址推，mmap是在進程的虛擬位址空間中（一般是堆和棧中間）找一塊閒置。這兩種方式分配的都是虛擬記憶體，沒有分配實體記憶體。在第一次訪問已指派的虛擬位址空間的時候，發生缺頁中斷，作業系統負責分配實體記憶體，然後建立虛擬記憶體和實體記憶體之間的映射關係。

在標準C庫中，提供了malloc/free函數分配釋放記憶體，這兩個函數底層是由brk，mmap，munmap這些系統調用實現的。

預設情況下，malloc函數分配記憶體，如果請求記憶體大於128K（可由M_MMAP_THRESHOLD選項調節），那就不是去推_edata指標了，而是利用mmap系統調用，從堆和棧的中間分配一塊虛擬記憶體。這樣子做主要是因為brk分配的記憶體需要等到高地址記憶體釋放以後才能釋放（例如，在B釋放之前，A是不可能釋放的），而mmap分配的記憶體可以單獨釋放。

（4） 32位系統，通常情況下，最大虛擬位址和物理地址空間為多少。

不使用PAE（Physical Address Extension）情況下，最大虛擬位址和物理地址空間均為4G，若果使用PAE，最大虛擬位址仍為4G，而物理地址空間可變為64G（x86， 32為變36位）。

（5） 怎樣實現malloc和free。

Malloc實現可考慮採用buddy演算法+slob演算法，free類似。

注釋：

    1）buddy演算法

將所有空閑頁框分組為10個塊鏈表，每個塊鏈表的每個塊元素分別包含1,2,4,8,16,32,64,128,256,512個連續的頁框，每個塊的第一個頁框的物理地址是該塊大小的整數倍。如，大小為16個頁框的塊，其起始地址是16*2^12(一個頁框的大小為4k,16個頁框的大小為16*4K,1k=1024=2的10次方，4k=2的12次方)的倍數。

　　例，假設要請求一個128個頁框的塊，演算法先檢查128個頁框的鏈表是否有空閑塊，如果沒有則查256個頁框的鏈表，有則將256個頁框的塊分裂兩份，一份使用，一份插入128個頁框的鏈表。如果還沒有，就查512個頁框的鏈表，有的話就分裂為128，128，256，一個128使用，剩餘兩個插入對應鏈表。如果在512還沒查到，則返回出錯訊號。

 

4. 參考資料

Linux Memory Management Notes:

http://vmlinz.is-programmer.com/posts/26540.html

記憶體段頁式管理筆記:

http://chenxu.yo2.cn/articles/linux_memory.html

虛擬位址、線性地址和物理地址的轉換:

http://dogking.chinaunix.com/space.php?uid=23208702&do=blog&id=163527

kmalloc、vmalloc、malloc的區別:

http://blog.csdn.net/macrossdzh/article/details/5958368

Linux中的物理和虛擬儲存空間布局：

http://book.chinaunix.net/showart.php?id=3266

[百度分享]頻繁分配釋放記憶體導致的效能問題的分析

http://topic.csdn.net/u/20100325/16/0b86c0ed-5b8d-4eec-a757-c782ae9a3a35.html

kmalloc、vmalloc、malloc的區別

http://blog.csdn.net/macrossdzh/article/details/5958368 buddy演算法：http://baike.baidu.com/view/1040266.htm?tp=2_11

5. 後記

最近面試常被問到記憶體管理的一些基礎知識，特整理此文，以作為這階段面試的小總結。

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