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电梯直达

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发表于 2016-09-18 18:53 |只看该作者 |倒序浏览

本帖最后由 _nosay 于 2016-09-18 23:11 编辑

内存管理的本质

之前提到过，硬件的思想源于硬件本身，软件基于硬件的特性，可以对硬件进行控制，而“管理”相对于“控制”，可以认为是提升了一个高度，是指“合理的控制”，代表一种意愿。对于Linux的内存管理，就是希望所有进程可以和平共处的使用内存，以及更充分的使用内存。为此，Linux内核就需要维护一个账本，对整个系统中的内存信息，进行详细的记录，这样一来，就不会出现“把分配给进程A的内存又分配给进程B”等等意外的事情。
日常生活中，政府机关分层级关系，上级管理着各个下级，最终细化到由派出所管理当地的每个人，管理者总会为被管理者建立管理信息，比如派出所有每个人的档案。计算机的方方面面，其实都借鉴于日常生活，内存管理也是如此，它为各个硬件建立管理信息（数据结构），并按层级维护好这些结构之间的关系。

物理内存管理重要数据结构

① struct page
系统启动之前，BIOS里面的一段程序，会将内存大小、磁盘等硬件信息收集起来，Linux内核再根据此信息，建立一个struct page mem_map[]数据，“mem_map[0]、mem_map[1]、……”依次表示“0~4K、4~8K、……”这些区间的内存信息，直到内存条中每个4K内存块都有对应的page结构。

每个这样结构的信息，都描述了和它对应的4K物理内存（一个物理页面）的状态，比如某个物理页面空闲时，就将对应page的list成员挂入空闲区；可以通过lru挂入不活跃脏/干净链表；当物理页面用于文件缓存时，通过buffers表示与该页面缓存着哪些磁盘块的内容；等等（等学到具体章节时，具体介绍）。

② struct zone_struct
将一根内存条看作一个物理页面仓库，zone_struct结构则是用于将这个仓库划分区域，一般分为ZONE_DMS、ZONE_NORMAL两个管理区，或再加一个ZONE_HIGHMEM管理区。至于分什么划分管理区，是个值得体会的问题，简单点理解，就像跟“国家分为省，省分为市……”是一个道理。
成员free_area[]，是一个双向链表头数组（之前已经介绍过list.h），free_area[N]链表头链接的都是2^N的连续空闲页面块（连续指的是在mem_map[]数组中下标连续），这样做有两个好处：
① 一块连续的页面块，只需要执行一次挂入操作，不需要对每个page的list都执行一次挂入链表头的操作，比如mem_map[0]~mem_map[127]对应的128个页面都空闲，只需要将mem_map[0]这个page挂入free_area[7]的链表头即可；
② 有时候分配内存，不只对大小有要求，还要求成块（即连续），所以如果每个页面单独的挂到链表头，当需要成块的物理内存时，再去找就很麻烦。

为了满足这样的结构，分配/释放内存时，就需要做一些额外的操作：
首先，当需要分配连续的页面块时，优先到恰好满足的链表头去找，如果没找到，依次加大下标，顺着free_area[]数组中的链表头找，如果找到，就通过“切割”大块得到最终需要的小块。比如，现需要分配连续8个页面，并且假设free_area[3]、free_area[4]、free_area[5]的链表头都为空，直到free_area[6]的链表头才不为空，就可以从free_area[6]取一个64连续页面块，并将其“切割”为一个32连续页面块、一个16连续页面块、两个8连续页面块，分别挂到free_area[5]、free_area[4]、free_area[3]的链表头上，这时就可以分配8连接页面块了。
其次，释放的时候，要尽量将释放的内存块与已有的“碎片”合并。比如释放一个8连续页面块，就要判断是否可以与free_area[3]链表中某个8连续页面块合并，并转移到free_area[4]链表头上，如果合并成一个16连续页面块，要断续判断是否可以与free_area[4]链表中某个16连续页面块合并，依此类推……

以下是伙伴系统算法的精确介绍：

@ mem_map[]所有页面的空闲状态，由一个大的位图表示（bit）；
@ 蓝：busy，黑：空闲；order(n) - 0：不可以合并，1：可以合并；
@ 上层对下层都按照（2n,2n+1）划分伙伴关系，比如order(0)对pages[]按照0-1、2-3……，而不是1-2、3-4……；
@ 伙伴中的两个成员都空闲，这对伙伴才为空闲状态；
@ 伙伴中的两个成员状态不同时，被分配的那个成员释放时，才可以合并成一个更大的块：
比如10,11，由于10是空闲的，不可能被释放，而11被释放后，就可以和10合并成大块
对于8,9，由于都是空闲的，本来就是合并的，就谈不上可不可以被合并，用0表示

伙伴算法用于释放内存时，提高合并效率，避免遍历链表判断地址连续性。但也明显有缺陷，它只能将（2n,2n+1）划分为一对伙伴，比如1空闲，2被释放，它们就不能合并成块。

③ struct pglist_data
①②介绍的数据结构，用于管理单个内存条上的物理内存，当系统中有多个内存条时，各自信息由一个pglist_data数据结构描述：

成员node_zonelists[]表示多种分配策略，每个数组元素包含一个zones[]，表示一种分配策略，即优先从哪个管理区分配，如果分配失败，依次去哪些管理区进行第二次尝试。

虚拟内存管理

之前提到过，虚拟地址（用于描述逻辑的“代号”）也是资源，所以也需要管理。进程刚创建时，程序本身的指令和数据需要占用一些“代号”，在执行过程中，动态分配/释放内存时，“代号”也要跟随的动态分配/释放。

随着进程的执行，一般会产生多个虚拟地址区间，每个区间由一个vm_area_struct结构记录，区间划分的依据是地址和属性，即使地址连续，如果属性不同，也不属于同一个区间。什么是属性呢？比如有些区间是存指令的，有些区间是存数据的，那么就属于不同的属性。
进程中虚拟地址区间不是很多时，用链表结构管理即可，vm_next就是用于这个目的，当数量比较多时，就要用avl树结构管理，提高查询速度，所以含有成员vm_avl_height、vm_avl_left、vm_avl_right；
如果映射/对应的物理页面被换出到磁盘，所有有一些记录与磁盘之间联系的成员：mapping、vm_next_share、vm_pprev_share、vm_file；

vm_area_struct仅仅代表进程的某个虚拟区间，所以需要一个更全局的管理结构，那就是代表整个进程虚拟空间的mm_struct结构：

这些结构中的成员，在后面学习内核管理的各种细节时，通过代码分析，自会理解，所以先对这些结构名称以及设计这个结构的目的，大致有个印象即可。