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【底层原理】Linux内存管理
2020-10-12 11:48:02

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作者:罗道文的私房菜

原文链接:http://luodw.cc/2016/02/17/linux-memory/

今天这篇文章主要是之前看linux内核相关知识和博客Gustavo Duarte中。我(指道文)主要是看了这篇博客,并且结合之前的知识,对内存管理的的理解又上升了一个档次。所以想通过这篇文章总结下。

我们先来看下linux内存布局,此图比我之前写的那篇文章写的布局更详细

在linux中,每一个进程都被抽象为task_struct结构体,称为进程描述符,存储着进程各方面的信息;例如打开的文件,信号以及内存等等;然后task_struct中的一个属性mm_struct管理着进程的所有虚拟内存,称为内存描述符。在mm_struct结构体中,存储着进程各个内存段的开始以及结尾,如上图所示;这进程使用的物理内存,即常驻内存RSS页数,这个内存使用的虚拟地址空间VSZ页数,还有这个进程虚拟内存区域集合和页表。

从上面这个图可以看出,进程是有代码段Text segment,数据段(已初始化的全局,静态变量),BSS段(未初始化的全局,静态变量),内存映射区以及

每一块虚拟内存区(VMA)都是由一块连续的虚拟地址组成,这些地址从不覆盖。一个vm_area_struct实例描述了一块内存区域,包括这块内存区域的开始以及结尾地址;flags标志决定了这块内存的访问权限和行为;vm_file决定这块内存是由哪个文件映射的,如果没有文件映射,则这块内存为匿名的(anonymous)。上述图中提到的每个内存段,都对应于一个vm_area_struct结构。如下图所示

上图即为/bin/gonzo进程的内存布局。程序的二进制文件映射到代码段和数据段,代码段为只读只执行,不可更改;全局以及静态的未初始化的变量映射到BSS段,为匿名映射,堆和栈也是匿名映射,因为没有相应的文件映射;内存映射区可以映射共享库,映射文件以及匿名映射,所以这块内存段可以是文件映射也可以是匿名映射。而且不同的文件,映射到不同的vm_area_struct区。

这些vm_area_struct集合存储在mm_struct中的一个单向链表和红黑树中;当输出/proc/pid/maps文件时,只需要遍历这个链表即可。红黑树主要是为了快速定位到某一个内存块,红黑树的根存储在mm_rb域。

之前介绍过,线性地址需要通过页表才能转换为物理地址。每个进程的内存描述符也保存了这个进程页表指针pgd,每一块虚拟内存页都和页表的某一项对应。

虚拟内存是不存储任何数据的,它只是将地址空间映射到物理内存。物理内存有内核伙伴系统分配,如果一块物理内存没有被映射,就可以被伙伴系统分配给虚拟内存。刚分配的物理内存叶框可能是匿名的,存储进程数据,也可能是也缓存,存储文件或块设备的数据。一块虚拟内存vm_area_struct块是由连续的虚拟内存页组成的,而这些虚拟内存块映射的物理内存却不一定连续,如下图所示:

如上图所示,有三个页映射到物理内存,还有两个页没有映射,所以常驻内存RSS为12kb,而虚拟内存大小为20kb。对于有映射到物理内存的三个页的页表项PTE的Present标志设为1,而两个没有映射物理内存的虚拟内存页表项的Present位清除。所以这时访问那两块内存,则会导致异常缺页。

vma就像应用程序和内核的一个契约。当应用程序申请内存或者文件映射时,内核先响应这个请求,分配或更新虚拟内存;但是这些虚拟内存并没有映射到真实的物理内存。而是等到内存访问产生一个内存异常缺页时才真正映射物理内存。即当访问没有映射的虚拟内存时,由于页表项的Present位没有被设置,所以此时会产生一个缺页异常。vma记录和页表项两个在解决内存缺页,释放内存以及内存swap out都起着重要的作用。下面图展示了上述情况:

1、一开始堆中只有8kb的内存,而且都已经映射到物理内存;

2、当调用brk()函数扩展堆时,新的页是没有映射到物理内存的,

3、当处理器需要访问一个地址,而且这个地址在上述刚分配的虚拟内存中,这时产生一个缺页异常;

4、这时进程向伙伴系统申请一页的物理内存,映射到那块虚拟内存上,并添加页表项,设置Present位.

自此,这个内存管理暂时就说到这。总结下:

1、linux进程的内存布局的每个段都是有一个vm_area_struct,而这个实例是由连续的虚拟内存地址组成;

2、当请求内存时,先是扩展vm_area_struct或者新分配一个vm_area_struct,但是并不映射物理内存,只有等到访问这块内存时,产生缺页异常,内核才分配物理内存。



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