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Linux 内存管理初探<br /> Author:钱国正<br /> 内存管理(Memory Management ,'mm' for short )是软件运行时对计算机内存资源的分配和<br /> 使用的技术,在 Linux 操作系统源码中位于 mm 文件夹下是操作系统的重要组成部分之一<br /> (Linux 内核由 5 个模块构成:进程调度模块,内存管理模块,文件系统模块,进程间通信模<br /> 块,网络接口模块)。<br /> 首先,为什么必须管理内存呢?内存是计算机的硬件组成部分之一,它是与 CPU 进行沟<br /> 通的桥梁。计算机中所有的程序都是在内存中进行的,由此可以看出内存的重要性。内存的作<br /> 用是暂时存放 CPU 中的运算数据,以及与硬盘等外部存储器交换的数据。只要计算机在运行<br /> 中,CPU 就会把需要运算的数据调到内存中进行运算,当运算完成后 CPU 再将结果传送出来,<br /> 内存的运行决定了计算机的稳定运行。由此,内存的管理的重要性可以体现出来了。此外,内<br /> 存管理是计算机编程的最基本的领域之一。很多脚本语言中,您不必担心内存是如何管理的,<br /> 但这并不能使的内存管理的重要性有一点点的降低。在大部分系统语言中,C 和 C++,您必须<br /> 对内存进行管理。<br /> 在 Intel80x86 的 CPU 中程序在寻址过程中,程序在寻址过程中使用的是段和偏移值构成<br /> 的地址。该地址并不能直接用来寻址物理内存地址,因此被称为虚拟地址。为了能寻址物理内<br /> 存,就需要一种地址变换机制将虚拟地址映射或变换到物理内存中,这种变换机制就是内存管<br /> 理的主要功能之一(内存管理的另外一个功能就是内存寻址保护机制)。虚拟地址通过段管理<br /> 机制首先变换成一种中间地址形式——CPU32 位的线性地址(也称虚拟地址),然后使用分页<br /> 管理机制将此线性地址映射到物理地址。从上面的阐述中可以得到一个结论:80x86 在从逻辑<br /> 地址到物理地址的变换过程中使用了段和分页两种机制。<br /> 分段机制:负责把程序的逻辑地址转换为处理器可寻址的内存空间中的地址。同时,提<br /> 供了隔绝各个代码,数据和堆栈区域的机制,因此,多个程序可以运行在同一个处理器上而不<br /> 会互相干扰。<br /> 分页机制:负责把线性地址转换为物理地址,也为虚拟内存系统提供了实现机制。<br /> 内存在操作系统发展初期产生了连续分配内存方式,其可分为单一连续分配(只能用于<br /> 单用户、单任务的操作系统中,分为用户区和系统区,系统区位于地地址,其余为用户区),<br /> 固定分区分配(最简单的一种可运行多道程序的存储管理方式,将内存用户区划分为若干大小<br /> 固定的区域),动态分区分配(实现可变分区分配,涉及数据结构,分区分配<span class='wp_keywordlink'><a href="http://www.xuebuyuan.com/category/%E7%AE%97%E6%B3%95" title="算法" target="_blank">算法</a></span>和分区的分<br /> 配和回收操作这样三个问题)。固定分区分配和动态分区分配都有不足之处。固定分区分配限<br /> 制了活动进程的数目,当进程大小与分区大小不匹配时,内存空间利用率低。动态分区方式算<br /> 法复杂,回收分区时需进行分区合并等,系统开销大。伙伴系统方式是对以上两种内存方式的<br /> 一种折衷方案。<br /> 伙伴系统规定:无论已分配分区或空闲分区,其大小均为 2 的 k 次幂,k 为整<br /> 数,1<<k<<m,其中:2 的 1 次幂为最小分区大小,2 的 m 次幂为最大分区大小,通常是整个分<br /> 配分区的大小。<br /> 分页存储管理(内存离散分配的基本单位是页)是为了解决连续分配方式形成碎片的缺<br /> 点,将一个进程的逻辑空间分成若干个大小相等的片,称为页面或页并加以编号,相应的把内<br /> 存空间分成于页大小相同的若干个存储块,称为块或页框。<br /> 分段存储管理(内存离散分配的基本单位是段)的引入主要是满足程序员编程和使用上<br /> 的多面需求:方便编程,信息共享,信息保护,动态增长,动态连接。<br /> 前面章节为 Linux 内存管理做了铺垫。<br /> Linux 操作系统采用虚拟内存管理技术,使得每个进程都有各自互不干涉的进程地址空<br /> 间。该空间是块大小的 4G(4G 的进程空间被人为的分为两个部分——用户空间和内核空间)<br /> 的线性虚拟空间,用户可以看到和接触的都是该虚拟地址,无法看到实际的物理地址。利用这<br /> 种虚拟地址不但能起到保护操作系统的效果(用户不能直接访问物理内存),而且更重要的是<br /> 用户程序可使用比实际物理内存更大的地址空间。<br /> Linux 虚拟内存的实现需要 6 种机制的支持:地址映射机制、内存分配回收机制、缓存和<br /> 刷新机制、请求分页机制、交换机制和内存共享机制。<br /> 参考书目:</p> <p>http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-memory/</p> <p>http://baike.baidu.com/view/4541016.htm</p> <p>http://baike.baidu.com/view/1082.htm</p> <p>http://blog.csdn.net/kanghua/archive/2007/10/22/1837872.aspx</p> <p>http://articles.e-works.net.cn/411/Article171
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