Linux系统 2023-06-30

探析Linux内核的存储器管理 (存储器管理 linux内核)

Linux内核是一个开放源代码的操作系统内核，它是由整个Linux操作系统的核心组成部分。Linux内核的设计理念在于提高内核的可读性、可移植性和可扩展性。其中内存管理，尤其是虚拟内存管理，是Linux内核的最重要和最显著的特性之一。Linux内核的存储器管理是如何实现的呢？本文将进行探析。

1. 内存管理的主要任务

内存管理是Linux操作系统中最重要的子系统之一。它的主要任务是为操作系统提供一个保护、共享和动态分配内存的机制。内存管理还负责虚拟内存、交换空间、页面分配以及文件系统缓存的管理。其工作原理如下图所示：

![内存管理基本结构](https://img-blog.csdn.net/20230720233405579?watermark/2/text/aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d5ZGFuZzE5Njg=/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70/q/75)

2. 虚拟内存的实现

虚拟内存是现代操作系统中运用最广泛的内存管理技术之一。它的核心思想就是将实际的内存地址与虚拟地址进行映射，使得用户空间程序看起来好像有足够的内存空间来存储数据和执行代码。虚拟内存系统先将程序的代码和数据存储在磁盘上，当程序运行时，它将数据加载到内存中，只有当需要时，虚拟内存系统才会从磁盘中读取数据和代码。虚拟内存的大小取决于实际内存和交换空间的总和。

在Linux内核中，可以用以下主要数据结构来管理虚拟内存：

1. 内存管理区域(Memory Management Regions, MMRs)。 MMRs包含物理区域描述符(Physical Region Descriptors, PRDs)和逻辑区域描述符(Logical Region Descriptors, LRDs)。PRDs是对物理内存块的描述，LRDs是对逻辑内存块的描述。

2. 页表(Page Table)。页表是一个机制，将虚拟地址转换为实际物理地址。在Linux内核中，每个进程都有自己的页表，页表中包含的页目录嵌套(PDE)和页表嵌套(PT)以及页表项(PTE)。PDE由四个字节组成，而PT和PTE则由每个大小为四字节的元素组成。

3. 内存映射文件页表(File-Mapped Page Table, FMAPT)。 FMAPT跟踪匿名映射或映射的文件的状态。它们存储了程序数据和代码在磁盘上的映射方式以及它们在实际物理内存中的分布情况。

3. 大页支持

大页支持是Linux对虚拟内存管理的一个优化，它允许使用大页面减少虚拟内存管理的开销，从而提高系统的性能。大页面由cpu直接访问，它们的大小通常为2MB或4MB，是通常的进程页面(大小通常为4kb)的50-1000倍。

在Linux内核中，大页支持是通过“huge page”(巨大页)实现的。由于页面的大小较大，因此它们可以减少相应的内存映射和管理开销。此外，在采用内存共享的环境中，大页面可以减少内存复制的次数。

4. 内存压缩

内存压缩是Linux内核的存储器管理的一个重要特性，它是Linux内核的出色之处。内存压缩机制可以将系统内存中的失效页，通过一定的算法，压缩到更小的物理页上，从而减少物理页的数量，提高物理内存的可用性，改善系统性能。

在Linux内核中，内存压缩被实现为一种软件算法。它包括两种类型的压缩策略：前瞻式压缩策略和反瞻式压缩策略。前瞻式策略利用失效的页面的历史信息估算下一个可能失效的页面，然后将该页面压缩到更少的物理页上。反瞻式策略则利用位图和链表来保存失效页面的状态，当它们反复失效时，它将它们压缩到一个单一的物理页面上。

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Linux内核的存储器管理是一个非常复杂的系统，它包含许多数据结构和算法。虚拟内存管理是Linux内核的核心特性之一，它将程序的代码和数据存储在磁盘上，只有当需要时，虚拟内存系统才会从磁盘中读取数据和代码。内存管理还包括大页支持和内存压缩等特性。这些特性在提高Linux的性能方面扮演着很重要的角色。

相关问题拓展阅读：

Linux内核完全剖析的目录

序

第1章概述

1.1 Linux的诞生和发展

1.1.1 UNIX操作系统的诞生

1.1.2 MINIX操作系统

1.1.3 GNU计划

1.1.4 POSIX标准

1.1.5 Linux操作系统的诞生

1.1.6 L,inux操作系统版本的变迁

1.1.7 Linux名称的由来

1.1.8早期Linux系统开发的主要贡献者

1.2内容综述

第2章微型计算机组成结构

2.1微型计算机组成原理

2.2 I/O端口寻址和访问控制方式

2.2.1 I/O端口和寻址

2.2.2 接口访问控制

2.3 主存储器、BIOS和CMOS

存储器

2.3.1 主存储器

2.3.2 基本输入/输出程序BIOS

2.3.3 CMOS存储器

2.4 控制器和控制卡

2.4.1 中断控制器

2.4.2 DMA控制器

2.4.3 定时/计数器

2.4.4 键盘控制器

2.4.5 串行控制卡

2.4.6 显示控制

2.4.7 软盘和硬盘控制器

第3章内核编程语言和环境

3.1 as86汇编器

3.1.1 as86汇编语言语法

3.1.2 as86汇编语言程序

3.1.3 as86汇编语言程序的编译和

链接

3.1.4 as86和ld86使用方法和选项

3.2 GNU as汇编

3.2.1 编译aS汇编语言程序

3.2.2 aS汇编语法

3.2.3 指令语句、操作数和寻址

3.2.4 区与重定位

3.2.5 符号

3.2.6 aS汇编命令

3.2.7 编写16位代码

3.2.8 aS汇编器命令行选项

3.3 C语言程序

3.3.1 C程序编译和链接

3.3.2 嵌入汇编

3.3.3 圆括号中的组合语句

3.3.4 寄存器变量

3.3.5 内联函数

3.4 C与汇编程序的相互调用

3.4.1 C函数调用机制

3.4.2在汇编程序中调用C函数

3.4.3在C程序中调用汇编函数

3.5 Linux/0.11目标文迹慎件格式

3.5.1 目标文件格式

3.5.2 Linux 0.11中的目标文件格式

3.5.3 链接程序输出

3.5.4 链接程序预定义变量

3.5.5 System.map文件

3.6 Make程序和Makefile文件

第4章

4.1 80×86 系统寄存器和系统指令

4.1.1 标志寄存器

4.1.2 内存管理寄存器

4.1.3 控制寄存器

4.1.4 系统指令

4.2.1 内存寻址

4.2.2 地址变换

4.2.3 保护

4.3.1 段的定义

4.3.2 段描述符表

4.3.3 段选择符册轿

4.3.4 段描述符

4.3.5 代码和数据段描述符类型

4.3.6 系统描述符类型

4.4 分页机制

4.4.1 页表结构

4.4.2 页表项格式

4.4.3 虚拟存储

4.5 保护

4.5.1 段级保护

4.5.2 访问数据段时的特权级检查

4.5.3 代码段之间转移控制时的特权级

4.5.4 页级保护

4.5.5 组合页级和段级保护

4.6.1 异常和中断向量

4.6.2 中断源和异常源

4.6.3 异常分类

4.6.4 程序或任务的重新执行

4.6.5 开启和禁止中断

4.6.6 异常和中断的优先级

4.6.7 中断描述符表

4.6.8 IDT描述符

4.6.9 异常与中断处理

4.6.10 中断处理任务

4.6.11 错误码

4.7.1 任务的结构和状态

4.7.2 任务的执行

4.7.3 任务管理数据结构

4.7.4 任务切换

4.7.5 任务链

4.7.6 任务地址空间

4.8.1 进入保护模式时的初始化操作

4.8.2 模式切换

4.9.1 多任务程序结构和工作原理

4.9.2 引导启动程序boot.s

4.9.3 多任务内核程序head.s

第5章

5.1 Linux内核模式

5.2 Linux内核系统体系结构

5.3.1 物理内存

5.3.2 内存地址空间概念

5.3.3 内存分段机制

5.3.4 内存分页管理

5.3.5 CPU多任务和保护方式

5.3.6 虚拟地址、线性地址和物理地址

5.3.7 用户申请内存的动态分配

5.4.1 中断操作原理

5.4.2 80×86微机的中断子系统

5.4.3 中断向量表

5.4.4 Linux内核的中断处理

5.4.5 标志寄存器的中断标志

5.5.1 系统调用接口

5.5.2 系统调用处理过程

5.5.3 Linux系统调用州州肆的参数传递方式

5.6.1 系统时间

5.6.2 系统定时

5.7 Linux进程控制

5.7.1 任务数据结构（1）

5.7.1 任务数据结构（2）

5.7.2 进程运行状态

5.7.3 进程初始化

5.7.4 创建新进程

5.7.5 进程调度

5.7.6 终止进程

5.8.1 初始化阶段

5.8.2 任务的堆栈

5.8.3 任务内核态堆栈与用户态堆栈之

5.9 Linux 0.12采用的文件系统

5.10.1 内核主目录linux

5.10.2 引导启动程序目录boot

5.10.3 文件系统目录fs

5.10.4 头文件主目录include

5.10.5 内核初始化程序目录init

5.10.6 内核程序主目录kernel

5.10.7 内核库函数目录lib

5.10.8 内存管理程序目录mm

5.10.9 编译内核工具程序目录tools

5.11 内核系统与应用程序的关系

5.12.1 功能描述

5.12.2 代码注释

5.13 本章小结

第11章

11.1 总体功能描述

11.1.1 浮点数据类型（1）

11.1.1 浮点数据类型（2）

11.1.2 数学协处理器功能和结构

11.2.1 功能描述

11.2.2 代码注释

第14章

14.1 include/目录下的文件

14.2.1 功能描述

14.2.2 代码注释

14.2.3 a.out执行文件格式

14.3 const.h文件

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