内存管理

参考:深入Linux内核架构

启动过程期间的内存管理(bootmem)

启动过程期间,尽管内存管理尚未初始化,但内核仍然需要分配内存以创建各种数据结构,bootmem分配器就是用于在启动阶段早期分配内存

物理内存管理方法

UMA计算机(一致内存访问 uniform memory access),将内存以连续方式组织起来,SMP系统中每个处理器访问各个内存区都是同样快
NUMA计算机(非一致内存访问 non-uniform memory access)各个CPU都有本地内存,各CPU之间通过总线连接起来

虚拟内存管理起到什么作用

虚拟内存管理最主要的作用是让每一个进程都有独立的地址空间
虚拟内存管理可以控制物理内存的访问权限
VA到PA的映射会给分配和释放带来方便
一个系统如果同时运行很多进程,为各进程分配的内存之和可能会大于实际可用的物理内存,虚拟内存管理使得这种情况下各进程仍然能够正常运行.因为各进程分配的只不过是虚拟内存的页面,这些页面的数据可以映射到物理页面,也可以临时保存到磁盘上而不占用物理页面

页表

将虚拟地址空间映射到物理地址空间的数据结构称为页表

下图是一个三级页表结构

PGD(Page Global Directory)

用于索引进程中的一个数组(每个进程有且仅有一个),数组项指向另一些数组起始地址即PMD

PMD(Page Middle Directory)

PMD的数组项也是指针,指向PTE

PTE(Page Table Entry)

用作页表索引,虚拟内存页和页帧之间的映射就此完成,因为页表的数组项指向页帧

Offset

指定了页内部的一个字节位置

使用页表的优缺点

对虚拟地址空间不需要的区域,不必创建中间页目录或页表,多级页表相比当个数组的实现节省内存
每次访问内存时,必须逐级访问多个数组才能将虚拟地址转换为物理地址

加速VA到PA的过程

使用MMU单元优化内存操作
对于转换频繁的地址保存到TLB(Translation Lookside Buffer)中

物理内存的分配

伙伴系统

内核中很多时候要求分配连续页.为快速检测内存中的连续区域,内核采用伙伴系统

slab缓存

页面交换和页面回收

页面交换通过利用磁盘空间作为扩展内存,从而增大了可用的内存(通过缺页异常机制来换回页)
页面回收用于将内存映射被修改的内存与底层块设备同步