linux内存管理讨论——欢迎大家围观！

g__gle

我讲一讲自己在学习过程中遇到的不解之处，及各个概念的高度总结。好吧，其实是前几天发现包破了。。。。

1.内核是否有独立的地址空间。
X86上的Linux内核没有独立的地址空间。作为对比，DEC-11上的Unix V6内核有独立的地址空间，一旦进入内核态，页表自动切换。这样操纵用户态时就可跳出三界外。现在几乎没有操作系统这样做。根据某部FreeBSD著作所讲，内核态常做的一件事就是从、向用户空间搬、传数据。内核与用户态进程不在一个地址空间，则需要额外的指令在两个地址空间里传数据。

但这确实是一种设计，有其历史渊源。



2.内核态内存的映射。
X86上Linux内核之内核态虚拟地址，大部分固定地与低端物理内存一一映射。这样做的理由，一来是想更容易地访问物理内存，二来方便使用动态申请到的内存。DEC-11上的Unix V6内核就算有自己独立的地址空间，其大部分映射也是与物理内存一一对应的－－－在内核眼中，大部分虚拟地址与物理地址都是一样。

Linux上则仅仅有个差值。



3.896M与高端内存
X86上Linux内核与进程共用地址空间，另外，内核所有的地址空间被设计成与内存固定映射。结果是:内核拥有的地址空间很小(因为用户态占了大部分);能灵活使用的虚拟地址不多(因为大部分要与物理内存做一一对应的关联)。于是，内核能使用物理内存的大小被其狭小的虚拟地址空间所限制了。即便有再多的物理内存，内核已没有多余的虚拟地址与之映射，从而无法访问。

所以，896M用于与物理内存建立一一对应关系，剩余的虚拟地址空间，分时映射没能被896M覆盖到的物理内存，这部分物理内存就是高端内存。内核自己申请动态内存时，通常只在这896M以内申请，免得为了使用还得建立映射关系。其内部大量cache都在这一区域内，所以这块内存比较宝贵。用户虚拟地址空间可以随意设置，给用户态分配内存时，优先从高端内存取（如果有的话）。


4.映射与使用
内核映射了低端896M物理内存，大部分动态内存都从这里获得。但这并不是说这些内存就属于内核了，用户态不能用了。动态内存的使用要由mm子系统来协调，基本原理就是：分出去的内存不能再被分出去；收回来的内存可以被再分出去。动态内存的归属，最终由mm子系统来调度，申请到了再使用，这样才能保证秩序。分给用户态了，先建立映射，用户程序就可安心用了，即使内核可以直接访问这块内存，只要没有BUG，它都是很安全的。分给内核态了，直接使用即可－－映射早已建立。

如果896M内的物理内存分给用户态，内核自然不能使用。而且与之关联的虚拟地址段也不能另作他用。可惜了。


5.虚拟地址空间
虚拟地址空间也是资源。于用户态而言，典型的例子是在扩展地址空间之时：需要找到一块没用的地址空间。必需得记录哪些地址空间被用了，哪些没有被用。分配虚拟地址空间与分配物理内存其实是一样的道理，只不过物理内存是全局的，需要用更精妙的算法来分配。Linux虚拟地址空间似使用first fit----沿途看看有没有合适的地址段，第一个找到的就是。其实Unix V6就是这么分配物理内存的。

有数据结构描述用户态地址空间段，内核怎么管理自己的虚拟地址空间呢？是什么决定其动态申请内存时获得内存的位置？由于大部分虚拟地址空间都与物理内存一一对应，两者完全可以合二为一：管理虚拟内存段就是管理物理内存。申请的虚拟地址的情况取决于申请到物理内存的情况。

高端分时复用的那一块虚拟地址空间，面临的需求和解决方案，与用户态一样。


6.Buddy System
管理物理内存最基本的要求：判断一块内存单位是否被使。只记录这一个信息的话，一个bit足矣。于是可以用一个bitmap描述当前物理内存的使用情况。实际上，一块内存单位的属性远不止是否被使用，其复杂程序需要用一个结构体来描述。下一步是考虑分配内存的策略。Buddy System就是策略的一种。其原理，至少从表面上看起来，并不复杂。它主要为了解决外部碎片：系统中有足够量的内存满足需要，但是这些内存散乱在各地，无法作为整体来使用。


7. Slab
现代操作系统通常以页作为物理内存单位，这是分配与回收的最小单位。分配一页给一页你，分配几byte还是得给一页你。如果分出去的内存大部分没有被使用，那就太可惜了。一个频繁分配小内存的代码段，可能会先分配几页，然后自己内部管理这些内存，通过某种方法一点点满足小内存分配的需要。slab就是提取出来，专门做这种事的代码。它并不在乎底层用的是何种内存分配方式，它只在乎地层提供的分配与释放的接口，然后向上层提供分配小块内存的接口。之前向底层要的物理内快完了，它会负责再要一点；之前从底层拿的内存多了用不完，它会择时还回去。它默默地做着这些脏活，留给上层一个功能简单明了的接口。


8.mmap与虚拟地址空间
以前看APUE，以为mmap是个trick十足的系统调用。后来才明白，如果不理解内核的cache系统，mmap的作用很难理解。在内核里，带mmap字样的函数更让人觉得trick:它们用来分配用户态的虚拟地址空间。这似乎偏离了mmap的初始意图。

初始的时候，虚拟地址空间的样子由可执行文件，比如ELF，来决定。如果地址空间与文件映射，就叫有名映射(好吧，好像没有这种叫法)；如果纯粹扩展一段地址空间，比如从用户态上去理解malloc的语义，就叫匿名映射，虽然看不出来整个过程哪里跟映射有关了。于是，用户态的地址空间就这么一点一点被有名映射，无名映射筑起来了。