點選上方「Linux開源社群」，選擇「設為星標」
優質文章，及時送達
來源：
https://blog.csdn.net/qq_40276626/article/details/120477263
Linux中記憶體管理
記憶體管理的主要工作就是對實體記憶體進行組織，然後對實體記憶體的分配和回收。但是Linux引入了虛擬地址的概念。
虛擬地址的作用
如果使用者行程直接操作實體位址會有以下的壞處：
1、 使用者行程可以直接操作內核對應的記憶體，破壞內核執行。
2、 使用者行程也會破壞其他行程的執行
CPU 中寄存器中儲存的是邏輯地址，需要進行對映才能轉化為對應的實體位址，然後獲取對應的記憶體。
透過引入邏輯地址，每個行程都擁有單獨的邏輯地址範圍。
當行程申請記憶體的時候，會為其分配邏輯地址和實體位址，並將邏輯地址和實體位址做一個對映。
所以，Linux記憶體管理涉及到了以下三個部份：
1、實體記憶體
實體記憶體的組織
Linux 中記憶體分為 3 個級別，從下到上依次為：
1 > 、 Page： 一個 page 的大小為 4k ， Page 是記憶體的一個最基本的單位。
2 > 、 Zone： Zone 中提供了 多個佇列 來管理 page。
Zone分為 3 種
2.1、 ZONE_DMA：用來存放 DMA 讀取 IO 裝置的數據，內核專用
2.2、 ZONE_NORMAL：用來存放內核的相關數據，內核專用
2.3、 ZONE_HIGHMEM：高端記憶體，用來存放使用者行程數據
3 > 、 Node 節點，一個 CPU 對應著一個 Node，一個 Node 包括一個 Zone_DMA、 ZONE_NORMAL、ZONE_HIGHMEM。
同時當一個 CPU 對應的記憶體用光後，可以申請其他 CPU 對應的記憶體。
實體記憶體的分配
Linux將記憶體分配分為兩種：
1 > 、大記憶體
大記憶體 利用 夥伴系統 分配。
夥伴系統的做法是將 ZONE 中的 Page 分組，然後組裝為多個連結串列。連結串列中存放的是 頁塊 的集合。頁塊對應著有不同的大小，分別為 1、2、4、8 … 1024個頁。
當請求 (2i-1 ,2i] 大小的 page 的時候，會直接請求 2i 個頁， 如果對應的連結串列中有對應的頁塊，就直接分配。如果對應的連結串列沒有，就往上找 2i+1，如果 2i+1 存在，就將其分為 2 個 2i 頁塊，將其中 1 個 2i 加入到對應的連結串列中，將另外一個分配出去。
例如，要請求一個 128 個頁的頁塊時，先檢查 128 個頁的頁塊連結串列是否有空閑塊。如果沒有，則查 256 個
的頁塊連結串列；如果有空閑塊的話，則將 256 個頁的頁塊分成兩份，一份使用，一份插入 128 個頁的頁塊連結串列中。如果還是沒有，就查 512 個頁的頁塊連結串列；如果有的話，就分裂為 128、128、256 三個頁塊，一個 128 的使用，剩余兩個插入對應頁塊連結串列。
2 > 、小記憶體分配
小記憶體分配利用 slub 分配，比如物件等數據 slub 就是 將幾個頁單獨拎出來作為緩存，裏面維護了連結串列。每次直接從連結串列中獲取對應的記憶體，用完之後也不用清空，就直接掛到連結串列上，然後等待下次利用。
2、如何組織虛擬地址
虛擬地址對應的是虛擬空間，虛擬空間只不過是一個虛擬地址的集合，用來對映實體記憶體。
虛擬空間分為 使用者態 和 內核態 。
32位元系統中 將虛擬空間按照 1:3 的比例分配給 內核態 和 使用者態。
64位元系統中 分別給 內核態 和 使用者態 分配了 128T。
使用者態結構
每個行程 都會 對應一個 使用者態虛擬空間， 裏面存放了 Text（程式碼）的記憶體虛擬地址範圍、 Data（數據）的記憶體虛擬地址範圍、BSS（全域變量）的記憶體虛擬地址範圍、堆的虛擬地址範圍、棧的虛擬地址範圍，以及mmap 記憶體對映區。
其中 mmap 用於申請動態記憶體的時候的對映，堆和棧都是動態變化的。
一個行程對應的使用者態中的 各個方面的虛擬地址資訊都透過一個 struct 來儲存在記憶體中，當建立行程的時候會為其分配記憶體儲存對應的虛擬地址資訊。
內核態結構
Linux 的內核程式共用一個內核態虛擬空間。其中分為了以下幾部份：
1、直接對映區
896M，內核空間直接對映到對應的ZONE_DMA和ZONE_NORMAL中。為什麽叫做直接對映呢？邏輯地址 直接 減去對應的差值就可以得到對應的實體位址。固定死了。微信搜尋公眾號：架構師指南，回復：架構師 領取資料 。
2、動態對映
為什麽要引入動態對映呢？因為所有實體記憶體的分配都需要內核程式進行申請，使用者行程沒有這個許可權。所以內核空間一定要能對映到所有的實體記憶體地址。
那麽如果都采用直接對映的話，1G大小邏輯地址的內核空間只能對映1G大小的實體記憶體。
所以引入了動態對映，動態對映就是 內核空間的邏輯地址可以對映到 實體記憶體中的ZONE_HIGHMEM（高端記憶體）中的任何一個地址，並且在對應的實體記憶體使用完之後，可以再對映其他實體記憶體地址。
動態對映分為三種：
1 > 、動態記憶體對映： 使用完對應的實體記憶體後，就可以對映其他實體記憶體了。
2 > 、永久記憶體對映： 一個虛擬地址只能對映一個實體位址。如果需要對映其他實體位址，需要解綁。
3 > 、固定記憶體對映： 只能被某些特定的函式來呼叫參照實體位址。
動態記憶體對映和直接對映的區別
動態對映和直接對映的區別就是邏輯地址到實體位址的轉化規則。
直接對映
直接對映的規則是死的，一個邏輯地址對應的實體位址是固定的。透過邏輯地址加或者減去一個數，就可以得到對應的實體位址。
動態對映
動態對映是動態的繫結，每個邏輯地址對應的實體位址是動態的，透過頁表進行查詢。
使用者空間對映：
使用者空間采用 動態對映 ，每個虛擬地址可以被對映到一個實體位址，對映到ZONE_HIGHMEM。
為什麽使用者空間不采用 直接對映 呢？
因為實體記憶體是多個行程所有的，每個行程都有一個使用者空間。如果采用直接對映的話，對應的實體位址是會沖突的。其使用者空間的邏輯地址大小都為 3G，所以存在邏輯地址相同，但是對應的實體位址不同。需要透過頁表來轉化，一個行程會對應一個頁表。
3、如何將虛擬地址對映到實體記憶體
虛擬地址透過 頁表 將 虛擬地址 轉化為 實體位址， 每個行程都對應著一個頁表， 內核只有一個頁表。
虛擬空間 和 實體記憶體 都按照 4k 來分頁，一個虛擬空間中的頁 和 實體記憶體中頁 是 一一對應的。
頁表對映
如上圖所示，將虛擬地址中的頁號 透過頁表轉化為 對應的物理頁號，然後透過頁內偏移量 就可以得到對應的 實體位址了。
但是 1 個行程就需要一個頁表，一個 4G 的記憶體條，就需要 1M 個頁表記錄來描述，假如 1 個 頁表記錄需要 4個字節，那麽就需要 4MB。而且頁表記錄是透過下標來對應的，透過虛擬頁號來乘以對應的頁表項大小來計算得到對應的地址的。
所以 Linux 將 4M 分為 1K 個 4K， 一個 4K 對應著一個 page，用來儲存對應的真正的頁表記錄。將 1K 個 page 分開存放，就不要求連續的 4M 了。
如果將 4M 分成 1K 個離散的 page 的話，怎麽虛擬地址對應的頁表號呢？
利用指標，儲存 1K 個地址，分別指向這 1K 個 page， 地址的大小為 4 個字節，也就是32位元，完全可以表示整個記憶體的地址範圍。
1K * 4個字節，正好是一個 page 4k，所以 也就是利用 1 個 page來儲存對應的頁表記錄索引。
所以 我們的虛擬地址尋找過程如下：
1>、找到對應的頁表記錄索引位置，因為有 1K 個索引，所以用 10 位就可以表示了
2 > 、透過索引可以找到對應的真正的頁表地址，對應的有 1K 個頁表記錄，所以用 10 位就可以表示了
3 > 、1個頁有 4K，透過 12 位就可以表示其頁內偏移量了。
所以虛擬地址被分為了三部份：
1 > 、10位 表示索引偏移
2 > 、10位 表示頁表記錄偏移
3 > 、 12位元 表示頁內偏移
雖然這種方式增加了索引項，進一步增加了記憶體，但是減少了連續記憶體的使用，透過離散的記憶體就可以儲存頁表。
這是對於32位元系統，而 64 位系統采用了5級頁表。
對映流程圖
使用者態申請記憶體時，只會申請對應的虛擬地址，不會直接為其分配實體記憶體，而是等到真正存取記憶體的時候，產生缺頁中斷，然後內核才會為其分配，然後為其建立對映，也就是建立對應的頁表項。
TLB
TLB 就是一個緩存，放在 CPU 中。用來將虛擬地址和對應的實體位址進行緩存。當查詢對應的實體位址的時候，首先查詢 TLB，如果TLB中存在對應的記錄，就直接返回。如果不存在，就再去查詢頁表。
虛擬記憶體
虛擬記憶體 指的是 將硬碟中劃出一段 swap 分區 當作 虛擬的記憶體，用來存放記憶體中暫時用不到的記憶體頁，等到需要的時候再從 swap 分區中 將對應的 記憶體頁 調入到 記憶體中。硬碟此時相當於一個虛擬的記憶體。
從邏輯上能夠執行更大記憶體的程式，因為程式執行的時候並不需要把所有數據都載入到記憶體中，只需要將當前執行必要的相關程式和數據載入到記憶體中就可以了，當需要其他數據和程式的時候，再將其調入。
相較於真正的記憶體載入，虛擬記憶體需要將數據在記憶體和磁盤中不斷切換，這是一個耗時的操作，所以速度比不上真正的記憶體載入。
總結
虛擬空間 和 實體記憶體 都分為 內核空間 和 使用者空間。
虛擬地址需要透過頁表轉化為實體位址，然後才能存取。
使用者虛擬空間 只能對映 實體記憶體中的使用者記憶體，無法對映到實體記憶體中的內核記憶體，也就是說，使用者行程只能操作使用者記憶體。
內核空間 只能被 內核 申請使用，使用者行程只能操作使用者空間的實體記憶體和虛擬空間。
當使用者行程 呼叫系統呼叫的時候，會將其對應的程式碼和數據執行在內核空間中。
所以當呼叫 內核空間 讀取檔或者網路數據的時候，首先會將數據拷貝到記憶體空間，然後在將數據從內核空間拷貝到使用者空間。因為 使用者行程不能存取內核空間。
-End-
讀到這裏說明你喜歡本公眾號的文章，歡迎 置頂（標星）本公眾號 Linux技術迷，這樣就可以第一時間獲取推播了~
在本公眾號，後台回復：Linux，領取2T學習資料 ！
推薦閱讀
1.
2.
3.
4.
