linux的内存管理

第三章 存储管理

存储管理子系统时操作系统中最重要的组成部分之一。在早期计算时代，由于人们所需要的内存数目远远大于物理内存，人们设计出了各种各样的策略来解决此问题，其中最成功的是虚拟内存技术。它使得系统中为有限物理内存竞争的进程所需内存空间得到满足。

虚拟内存技术不仅仅可让我们可以使用更多的内存，它还提供了以下功能： 巨大的寻址空间

操作系统让系统看上去有比实际内存大得多的内存空间。虚拟内存可以是系统中实际物理空间的许多倍。每个进程运行在其独立的虚拟地址空间中。这些虚拟空间相互之间都完全隔离开来，所以进程间不会互相影响。同时，硬件虚拟内存机构可以将内存的某些区域设置成不可写。这样可以保护代码与数据不会受恶意程序的干扰。 内存映射

内存映射技术可以将映象文件和数据文件直接映射到进程的地址空间。在内存映射中，文件的内容被直接连接到进程虚拟地址空间上。 公平的物理内存分配

内存管理子系统允许系统中每个运行的进程公平地共享系统中的物理内存。 共享虚拟内存

尽管虚拟内存允许进程有其独立的虚拟地址空间，但有时也需要在进程之间共享内存。 例如有可能系统中有几个进程同时运行BASH命令外壳程序。为了避免在每个进程的虚拟内存空间内都存在BAS

13. 内存管理

13.1. 引言

Linux对物理内存的描述机制有两种：UMA和NUMA。Linux把物理内存划分为三个层次来管理：存储节点（Node）、管理区（Zone）和页面 （Page）。UMA对应一致存储结构，它只需要一个Node就可以描述当前系统中的物理内存，但是NUMA的出现打破了这种平静，此时需要多个 Node，它们被统一定义为一个名为discontig_node_data的数组。为了和UMA兼容，就将描述UMA存储结构的描述符 contig_page_data放到该数组的第一个元素中。内核配置选项

CONFIG_NUMA决定了当前系统是否支持NUMA机制。此时无论UMA还 是NUMA，它们都是对应到一个类型为pg_data_t的数组中，便于统一管理。 图 71. Node Zone和Page的关系

上图描述Linux管理物理内存的三个层次之间的拓扑关系。从图中可以看出一个存储节点由pg_data_t描述，一个UMA系统中只有一个Node，而 在NUMA中则可以存在多个Node。它由CONFIG_NODES_SHIFT配置选项决定，它是CONFIG_NUMA的子选项，所以只有配置了 CONFIG_NUMA，该选项才起作用。UMA

一． 引言

浅谈Linux内存管理

KiTann

2010-7-16

首先以应用程序开发者的角度审视Linux的进程内存管理,在吃基础上逐步深入到内核中讨论系统物理内存管理和内核内存的使用方法。

二． 基本知识

首先简单的介绍下理解linux内核编程的一些基本知识，当然也可以跳过这一节，你自

认为都比较熟悉的。 (1) AT&T 汇编

1. 基本语法

1) 赋值方向：movl ?x,êx ---- 方向从左到右。这个是与INTEL汇编醉

倒的区别。

2) 指令前缀：movl $1,êx ---- $立即数前需要加前缀”$”.

Rep Scasb

--- rep 表示重复执行下一条指令。

3) 简介寻址：instr %segreg:disp(base,index,scale),foo

表示Segreg:[base+index*scale+disp]

4) 指令后缀：movw, movb,movl 表示赋值的长度。

2. 内嵌汇编

1) 简介：_asm_ _volatitle_(“hlt”);

“_asm_”: 表示后面的代码为内嵌汇编

“_volatitle_”: 表示编译器不要优化代码，后面的指令保留原样。 请参

实验五 内存管理实验

1. 目的要求

（1） 学习使用内存管理库函数。 （2） 学习分析、改正内存错误。

2. 实验内容

（1） 内存库函数实验 ?

malloc函数

原型：extern void *malloc(unsigned int num_bytes); 头文件：#include

功能：分配长度为num_bytes字节的内存块。

说明：如果分配成功则返回指向被分配内存的指针，否则返回空指针NULL。当内存不再使用时，应使用free()函数将内存块释放。 举例：运行程序清单5-1，写明运行结果： _

?

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ calloc函数

原型：extern void *calloc(int num_elems, int elem_size); 头文件：#include

功能：为具有num_elems个长度为elem_size元素的数组分

实验五 内存管理实验

1. 目的要求

（1） 学习使用内存管理库函数。 （2） 学习分析、改正内存错误。

2. 实验内容

（1） 内存库函数实验 ?

malloc函数

原型：extern void *malloc(unsigned int num_bytes); 头文件：#include

功能：分配长度为num_bytes字节的内存块。

说明：如果分配成功则返回指向被分配内存的指针，否则返回空指针NULL。当内存不再使用时，应使用free()函数将内存块释放。 举例：运行程序清单5-1，写明运行结果： _

?

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ calloc函数

原型：extern void *calloc(int num_elems, int elem_size); 头文件：#include

功能：为具有num_elems个长度为elem_size元素的数组分

实验五 内存管理实验

1. 目的要求

（1） 学习使用内存管理库函数。 （2） 学习分析、改正内存错误。

2. 实验内容

（1） 内存库函数实验 ?

malloc函数

原型：extern void *malloc(unsigned int num_bytes); 头文件：#include

功能：分配长度为num_bytes字节的内存块。

说明：如果分配成功则返回指向被分配内存的指针，否则返回空指针NULL。当内存不再使用时，应使用free()函数将内存块释放。 举例：运行程序清单5-1，写明运行结果： _

?

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ calloc函数

原型：extern void *calloc(int num_elems, int elem_size); 头文件：#include

功能：为具有num_elems个长度为elem_size元素的数组分

引子

为什么要写这个笔记：

1，这本书的中文版翻译了太垃圾，没法阅读。阅读英文原版，可以很好的理解作者的思路。作此笔记备忘

2，一直以来学习LINUX kernel的知识缺乏系统化，借对这本书的学习，系统化的学习一下LINUX kernel。

3，自己一直在做一个too small，too simple的单进程，特权模式，64bit保护模式的称不上OS的ＯＳ，已经做完了bootloader, 构思kernel的实现的时候，困惑在内存管理的实现上，阅读这本书，希望能有利于自己的OS的编写。

4，克服惰性，多读书，希望一天能阅读5页，争取半年内阅读完这本原版700多页的巨著。 不足：

我不可能完全理解LINUX 内存管理的精髓，肯定有很多地方理解错误。希望大家能够指正，以便提高，谢谢。 学习方法：

可能您第一次阅读的时候很多地方都不理解，不用担心。那您可能需要阅读一些文件系统的知识。

或者阅读全部笔记后，再回头阅读，有些地方您就理解了。

言归正传：

一、概要

可用工具

CodeViz: 生成代码调用关系图的工具，这个工具我现在还没有去使用，有兴趣的可以自己试试去建立调用关系图。

http://www.csn.ul.ie/~mel/project

Linux的mmap文件内存映射机制

在讲述文件映射的概念时，不可避免的要牵涉到虚存（SVR 4的VM）。实际上，文件映射是虚存的中心概念，文件映射一方面给用户提供了一组措施，好似用户将文件映射到自己地址空间的某个部分，使用简单的内存访问指令读写文件；另一方面，它也可以用于内核的基本组织模式，在这种模式中，内核将整个地址空间视为诸如文件之类的一组不同对象的映射。Linux中的传统文件访问方式是， 首先用open系统调用打开文件，然后使用read，write以及lseek等调用进行顺序或者随即的I/O.这种方式是非常低效的，每一次I/O操作都需要一次系统调用。另外，如果若干个进程访问同一个文件，每个进程都要在自己的地址空间维护一个副本，浪费了内存空间。而如果能够通过一定的机制将页面映射到进程的地址空间中，也就是说首先通过简单的产生某些内存管理数据结构完成映射的创建。当进程访问页面时产生一个缺页中断，内核将页面读入内存并且更新页表指向该页面。而且这种方式非常方便于同一副本的共享。

VM是面向对象的方法设计的，这里的对象是指内存对象：内存对象是一个软件抽象的概念，它描述内存区与后备存储之间的映射。系统可以使用多种类型的后备存储，比如交换空间，本

引子

为什么要写这个笔记：

1，这本书的中文版翻译了太垃圾，没法阅读。阅读英文原版，可以很好的理解作者的思路。作此笔记备忘

2，一直以来学习LINUX kernel的知识缺乏系统化，借对这本书的学习，系统化的学习一下LINUX kernel。

3，自己一直在做一个too small，too simple的单进程，特权模式，64bit保护模式的称不上OS的ＯＳ，已经做完了bootloader, 构思kernel的实现的时候，困惑在内存管理的实现上，阅读这本书，希望能有利于自己的OS的编写。

4，克服惰性，多读书，希望一天能阅读5页，争取半年内阅读完这本原版700多页的巨著。 不足：

我不可能完全理解LINUX 内存管理的精髓，肯定有很多地方理解错误。希望大家能够指正，以便提高，谢谢。 学习方法：

可能您第一次阅读的时候很多地方都不理解，不用担心。那您可能需要阅读一些文件系统的知识。

或者阅读全部笔记后，再回头阅读，有些地方您就理解了。

言归正传：

一、概要

可用工具

CodeViz: 生成代码调用关系图的工具，这个工具我现在还没有去使用，有兴趣的可以自己试试去建立调用关系图。

http://www.csn.ul.ie/~mel/project

Linux0.12 内存管理学习笔记

总概

Linux0.12内核管理程序采用分页管理。分页管理使用页目录以及页表寻址内存，以页为基本单位，每页为连续4KB物理内存。Linux0.12内存管理程序共有4个文件:Makefile、memory.c、swap.c、page.s。其中page.s包含内存也异常的中断管处理过程（int14）。Memory.c是内存页面管理的主文件，其中包含了内存的初始化操作、页目录和也表的管理程序以及内核其他部分申请内存的处理程序。Swap.c是内存页面交换管理文件，其中包括交换映射位图管理甘薯和交换设备访问函数。 关键点：

1、分页机制处理的是经过段机制转换得到的线性地址。

2、Linux0.12内核只使用了了一个页目录表，所以最大能管理4GB的线性地址。

3、Linux0.12内存默认最多支持16MB内存。 4、内存分配：

Linux内核：0~640KB； 显存和BIOS：640KB~1M；

高速缓冲区：Linux内核end~4M； 虚拟盘：4M~4.5M； 主内存区：4.5M~16M。

其中高速缓冲区、虚拟盘的大小在内核初始化程序main.c中根据实际物理内存大小进行分配。

5、页目录表存放在物理地址0处，后