/********************** * linux的內(nèi)存管理 **********************/
到目前為止，內(nèi)存管理是unix內(nèi)核中最復(fù)雜的活動。我們簡單介紹一下內(nèi)存管理，并通過實例說明如何在內(nèi)核態(tài)獲得內(nèi)存。
(1)各種地址
對于x86處理器，需要區(qū)分以下三種地址：
*邏輯地址(logical address)
只有x86支持。每個邏輯地址都由一個段(segment)和一個偏移量(offset)組成，偏移量指明了從段的開始到實際地址之間的距離。
邏輯地址共48位，段選擇符16位，偏移量32位。linux對邏輯地址的支持很有限
*線性地址(linear address)
也稱為虛擬地址(virtual address)。
32位無符號整數(shù)，從0x0000,0000到0xffff,ffff，共4GB的地址范圍。無論是應(yīng)用程序還是驅(qū)動程序，我們在程序中使用的地址都是虛擬地址。
*物理地址(physical address)
32位無符號整數(shù)，與從CPU的地址引腳發(fā)送到存儲器總線上的電信號相對應(yīng)。用于存儲器尋址。
找一個程序，如scanf.c，運行兩個，然后執(zhí)行下面指令觀察：
$>pmap $(pid)$>cat /proc/$(pid)/maps
(2)物理內(nèi)存和虛擬內(nèi)存
a.物理內(nèi)存
就是系統(tǒng)中實際存在的RAM，比如我們常說的一條256兆RAM。x86處理器和物理內(nèi)存之間是通過實際的物理線路連接的。
另外，x86處理器還通過主板連接了很多的外設(shè)，這些外設(shè)也通過實際的物理線路和處理器相連。
對于處理器來說，多數(shù)的外設(shè)和RAM的訪問方式是一致的，都是由程序發(fā)出物理地址訪問實際的物理器件。
外設(shè)和RAM共享一個4G大小的物理內(nèi)存空間。
b.虛擬內(nèi)存
是在物理內(nèi)存之上為每個進程構(gòu)架的一種邏輯內(nèi)存，處于應(yīng)用程序的內(nèi)存請求與硬件內(nèi)存管理單元(Memory Management Unit, MMU) 之間.MMU將應(yīng)用程序使用的虛擬內(nèi)存根據(jù)預(yù)先定義好的頁表轉(zhuǎn)化為物理地址，然后通過物理地址對實際的外設(shè)或RAM進行訪問。
虛擬內(nèi)存有很多用途和優(yōu)點：
(3)RAM的使用
linux將實際的物理RAM劃分為兩部分使用，其中若干兆字節(jié)專門用于存放內(nèi)核映像(也就是內(nèi)核代碼和內(nèi)核靜態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu))，RAM的其余部分通常由虛擬內(nèi)存系統(tǒng)來處理，并用在以下3種可能的方面：
虛擬內(nèi)存必須解決的一個主要問題是內(nèi)存碎片，因為通常內(nèi)核使用連續(xù)的物理內(nèi)存，所以碎片過多可能導(dǎo)致請求失敗。
/********************** * 在內(nèi)核中獲取內(nèi)存 **********************/
和在用戶空間中一樣，在內(nèi)核中也可以動態(tài)分配和釋放內(nèi)存，但受到的限制要比用戶空間多一些。
(1)內(nèi)核中的內(nèi)存管理
內(nèi)核把物理頁作為內(nèi)存管理的基本單位。這主要是因為內(nèi)存管理單元(MMU)是以頁為單位進行虛擬地址和物理地址轉(zhuǎn)換的，從虛擬內(nèi)存的角度來看，頁就是最小單位。大多數(shù)32位體系結(jié)構(gòu)支持4KB的頁。
a.頁
內(nèi)核用struct page表示系統(tǒng)中的每個物理頁。
包括<linux/mm.h>就可以使用page，其實際定義在<linux/mm_types.h>
struct page{ page_flags_t flags; atomic_t _count; atomic_t _mapcount; unsigned long private; struct address_space *mapping; pgoff_t index; struct list_head lru; void *virtual;};flags用于存放頁的狀態(tài)，定義在<linux/page-flags.h>，狀態(tài)包括頁是不是臟的，是不是被鎖定在內(nèi)存中等等。_count存放頁的引用計數(shù)。
page結(jié)構(gòu)與物理頁相關(guān)，并非與虛擬頁相關(guān)。結(jié)構(gòu)的目的再于描述物理內(nèi)存本身，而不是其中的數(shù)據(jù)。
內(nèi)核根據(jù)page結(jié)構(gòu)來管理系統(tǒng)中所有的頁，內(nèi)核通過page可以知道一個頁是否空閑(也就是頁有沒有被分配)。
如果頁已經(jīng)被分配，內(nèi)核還需要知道誰擁有這個頁。
擁有者可能是用戶空間進程，動態(tài)分配的內(nèi)核數(shù)據(jù)，靜態(tài)內(nèi)核代碼，或頁高速緩存等。
系統(tǒng)中的每個物理頁都要分配這樣一個結(jié)構(gòu)。如果結(jié)構(gòu)體40字節(jié)大小，則128MB物理內(nèi)存(4K的頁)需要分配1MB多用于page結(jié)構(gòu)。
b.區(qū)
由于硬件的限制，內(nèi)核不能對所有的頁一視同仁。內(nèi)核使用區(qū)(zone)對具有相似特性的頁進行分組。這些特性包括：
針對這些限制，linux采用了三種區(qū)(<linux/mmzone.h>)：
對于x86，這3個區(qū)對于的物理內(nèi)存分別是：
見<linux/mmzone.h>中的struct zone。
系統(tǒng)中只有3個這樣的區(qū)結(jié)構(gòu)。
(2)頁分配
內(nèi)核是使用頁進行內(nèi)存管理的，因此，我們在內(nèi)核中也可以要求系統(tǒng)以頁為單位給我們分配內(nèi)存。當(dāng)然，以頁為單位分配可能造成內(nèi)存浪費，因此，只有在我們確定需要整頁內(nèi)存時才調(diào)用他們。
a.分配
#include <linux/gfp.h>1. struct page * alloc_pages( unsigned int gfp_mask, unsigned int order);//分配2的order次方個連續(xù)的物理頁。2. void *page_address( struct page *page);//返回一個指針，指向給定物理頁當(dāng)前的虛擬地址3. unsigned long __get_free_pages( unsigned int gfp_mask, unsigned int order);//相當(dāng)于上兩個函數(shù)結(jié)合4. struct page * alloc_page( unsigned int gfp_mask);5. unsigned long __get_free_page( unsigned int gfp_mask);6. unsigned long get_zeroed_page( unsigned int gfp_mask);//只分配一頁
b.gfp_mask標志
這個標志決定了內(nèi)核在分配內(nèi)存時的行為，以及從哪里分配內(nèi)存。
#include <linux/gfp.h>#define GFP_ATOMIC//原子分配，不會休眠，可用于中斷處理。#define GFP_KERNEL //首選，內(nèi)核可能會睡眠，用在進程上下文中
c.釋放頁
void __free_pages(struct page *page, unsigned int order);void free_pages(unsigned long addr, unsigned int order);void free_page(unsigned long addr);
注意！只能釋放屬于你的頁。錯誤的參數(shù)可能導(dǎo)致內(nèi)核崩潰。
(3)通過kmalloc獲取內(nèi)存
kmalloc和malloc很象，是內(nèi)核中最常用的內(nèi)存分配函數(shù)。
kmalloc不會對分配的內(nèi)存區(qū)域清0，分配的區(qū)域在物理內(nèi)存中是連續(xù)的。
a.分配
#include <linux/slab.h>void *kmalloc(size_t size, int flags)
size是要求分配的內(nèi)存的大小
kmalloc的參數(shù)flags可以控制kmalloc分配時的行為。和alloc_page時使用的標志是一致的。注意，kmalloc不能分配高端內(nèi)存
b.釋放
#include <linux/slab.h> void kfree(const void *ptr);
如果要釋放的內(nèi)存已經(jīng)被釋放了，或者釋放屬于內(nèi)核其他部分的內(nèi)存，則會產(chǎn)生嚴重的后果。調(diào)用kfree(NULL)是安全的。
要注意！內(nèi)核只能分配一些預(yù)定義的，固定大小的字節(jié)數(shù)組。kmalloc能處理的最小內(nèi)存塊是32或64。由于kmalloc分配的內(nèi)存在物理上連續(xù)，所以有分配上限，通常不要超過128KB。
(4)通過vmalloc獲得內(nèi)存
vmalloc()分配的內(nèi)存虛擬地址是連續(xù)的，但物理地址不需要連續(xù)。這也是malloc()的分配方式。vmalloc分配非連續(xù)的內(nèi)存塊，再修改頁表，把內(nèi)存映射到邏輯空間連續(xù)的區(qū)域內(nèi)。
大多數(shù)情況下，只有硬件設(shè)備需要得到物理地址連續(xù)的內(nèi)存，內(nèi)核可以使用通過vmalloc獲得的內(nèi)存。但內(nèi)核中多采用kmalloc，這主要是考慮性能，因為vmalloc會引起較大的TLB抖動，除非映射大塊內(nèi)存時采用vmalloc。例如模塊動態(tài)加載時，就是加載到通過vmalloc分配的內(nèi)存。
vmalloc在<linux/vmalloc.h>聲明，在<mm/vmalloc.c>定義，用法和malloc()相同。
void* vmalloc(unsigned long size); void vfree(void *addr);
vmalloc會引起睡眠
(5)通過slab機制獲得內(nèi)存
分配和釋放數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是內(nèi)核最普遍的操作之一。
一種常用的方法是構(gòu)建一個空閑鏈表，其中包含有可供使用的，已經(jīng)分配好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)塊。
每次要分配數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就不用再申請內(nèi)存，而是直接從這個空閑鏈表中分配數(shù)據(jù)塊，釋放結(jié)構(gòu)時將內(nèi)存還回這個鏈表。
這實際上是一種對象高速緩存(緩存對象).
linux針對這種要求提供了一個slab分配器來完成這一工作。
slab分配器要在幾個基本原則之間尋求平衡：
kmalloc就建立在slab之上。
a.創(chuàng)建一個新的高速緩存
#include <linux/slab.h>struct kmem_cache *kmem_cache_create( const char *name, size_t size, size_t align, unsigned long flags, void(*ctor)(...));
name: 高速緩存的名字。出現(xiàn)在/proc/slabinfo
size: 緩存中每個元素的大小
align: 緩存中第一個對象的偏移，常用0
flags:分配標志。常用SLAB_HWCACHE_ALIGH，表明按cache行對齊,見slab.h
b.銷毀高速緩存
#include <linux/slab.h>void kmem_cache_destroy(struct kmem_cache *cachep);
必須在緩存中的所有對象都被釋放后才能調(diào)用。
c.從高速緩存中獲得對象
void *kmem_cache_alloc( struct kmem_cache *cachep, int flags);flags: GFP_KERNEL
d.將對象釋放回高速緩存
void kmem_cache_free( struct kmem_cache *cachep, void *objp);
可參見kernel/fork.c
(6)高端內(nèi)存的映射
在高端內(nèi)存中的頁不能永久地映射到內(nèi)核地址空間，因此，通過alloc_pages()函數(shù)以__GFP_HIGHMEM標志獲得的頁不可能有虛擬地址。需要通過函數(shù)為其動態(tài)分配。
a.映射
要映射一個給定的page結(jié)構(gòu)到內(nèi)核地址空間，可以使用：
void *kmap(struct page *page);
函數(shù)可以睡眠
b.解除映射
void kunmap(struct page* page);
總結(jié)
以上就是這篇文章的全部內(nèi)容了，希望本文的內(nèi)容對大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價值，謝謝大家對VEVB武林網(wǎng)的支持。
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