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内存管理" title="内存管理">内存管理">内存管理

Linux内核使用段页式内存管理方式。

  • 内存池

物理页:物理空闲内存被划分为固定大小(4k)的页

内存池:所有空闲物理页组成内存池,以页为单位进行分配回收。并通过位图记录了每个物理页是否空闲,位图下标对应物理页号。

  • 分页内存管理

虚拟页:进程虚地址空间被划分为固定大小(4k)的页

分页内存管理:通过页目录和页表维护进程虚拟页号到物理页号的映射。设置好页目录、页表之后,虚拟地址到物理地址之间的转换通过内存管理单元(MMU)自动完成转换。若访问的虚拟页没有实际分配物理页,则放生缺页中断,内核会为其分配物理页。

  • 分段内存管理

分段:进程虚地址空间被划分为多个逻辑段,代码段、数据段、栈段等,每个段有一个段号。进程代码不直接使用虚拟地址,而是段号+段内偏移的二维逻辑地址。

分段内存管理:通过段表维护每个段的信息,段表项包括段基址和段限长。设置好段表之后,段号+段内偏移二维逻辑地址到虚拟线性地址的转换由MMU单元自动完成。

  • 相关代码文件

page.s:仅包含内存缺页中断处理程序

memory.c:内存管理的核心文件,用于内存池的初始化操作、页目录和页表的管理和内核其他部分对内存的申请处理过程。

物理内存管理

除去以被内核占用的内存外,剩余为占用内存会使用内存池进行管理,用于动态的分配和回收。

内存池初始化

mem_init初始化空闲内存。将空闲内存划分为4k大小页,并在位图mem_map中标记为空闲。位图中还包含物理页的引用计数,支持内存共享机制。

void mem_init(long start_mem, long end_mem)

{

int i;

HIGH_MEMORY = end_mem;

# 在位图中,设置所有页面为占用状态

for (i=0 ; i<PAGING_PAGES ; i++)

mem_map[i] = USED;

# 在位图中,将内核未使用的空闲页面设置为空闲状态,start_mem为空闲内存起始地址

i = MAP_NR(start_mem); // 主内存区起始位置处页面号

end_mem -= start_mem;

end_mem >>= 12; // 主内存区中的总页面数

while (end_mem-->0)

mem_map[i++]=0; // 主内存区页面对应字节值清零

}

内存分配回收

内核代码通过get_free_page和free_page函数分配和回收物理内存页。

  • 分配

get_free_page函数用于分配物理页。在位图中查找空闲物理页,并标记为占用,然后返回一个空闲的页物理地址。

// 不要陷入代码细节

unsigned long get_free_page(void)

{

register unsigned long __res asm("ax");

__asm__("std ; repne ; scasb

" // 置方向位,al(0)与对应每个页面的(di)内容比较

"jne 1f

" // 如果没有等于0的字节,则跳转结束(返回0).

"movb $1,1(%%edi)

" // 1 => [1+edi],将对应页面内存映像bit位置1.

"sall $12,%%ecx

" // 页面数*4k = 相对页面其实地址

"addl %2,%%ecx

" // 再加上低端内存地址,得页面实际物理起始地址

"movl %%ecx,%%edx

" // 将页面实际其实地址->edx寄存器。

"movl $1024,%%ecx

" // 寄存器ecx置计数值1024

"leal 4092(%%edx),%%edi

" // 将4092+edx的位置->dei(该页面的末端地址)

"rep ; stosl

" // 将edi所指内存清零(反方向,即将该页面清零)

"movl %%edx,%%eax

" // 将页面起始地址->eax(返回值)

"1:"

:"=a" (__res)

:"0" (0),"i" (LOW_MEM),"c" (PAGING_PAGES),

"D" (mem_map+PAGING_PAGES-1)

);

return __res; // 返回空闲物理页面地址(若无空闲页面则返回0).

}

  • 回收

free_page函数用于释放物理页。释放物理地址addr处的物理页,并在位图中标记为未占用状态。

void free_page(unsigned long addr)

{

// 判断地址是否在合法范围内

if (addr < LOW_MEM) return;

if (addr >= HIGH_MEMORY)

panic("trying to free nonexistent page");

addr -= LOW_MEM;

addr >>= 12;

if (mem_map[addr]--) return;

mem_map[addr]=0;

panic("trying to free free page");

}

分页内存管理

  • 多级页表

多级页表用于实现虚拟页到物理页的映射,进程基于多级页表管理其占用的物理内存页。

使用单级页表实现虚拟页到物理页的映射会浪费较多的内存空间,将单级页表划分为固定的大小(4k)的页表,并使用页目录登记页表,从而实现两级页表,进一步可实现多级页表。使用多级页表的好处在于节省空闲页表占用的内存空间,当4k大小页表没有页项使用时,可以不为其申请内存空间。

  • 线性虚拟地址翻译

线性地址可以划分为页目录项、页表项、页内偏移。

页目录项:作为下标访问页目录表项,表项记录页表信息

页表项:作为下标访问页表项,也表项记录物理页信息

页内偏移:作为物理页内偏移访问具体的物理地址单元

  • 复制页表

copy_page_tables函数用于复制当前进程的页目录和页表。首先会申请内存作为页目录和也表的存储空间,然后进行复制,复制后的两个进程的目标共享实际物理内存。fork新进程程时,会调用该函数为新进程从原进程复制页表。

int copy_page_tables(unsigned long from,unsigned long to,long size)

{

unsigned long * from_page_table;

unsigned long * to_page_table;

unsigned long this_page;

unsigned long * from_dir, * to_dir;

unsigned long nr;

if ((from&0x3fffff) || (to&0x3fffff))

panic("copy_page_tables called with wrong alignment");

from_dir = (unsigned long *) ((from>>20) & 0xffc); /* _pg_dir = 0 */

to_dir = (unsigned long *) ((to>>20) & 0xffc);

size = ((unsigned) (size+0x3fffff)) >> 22;

// 第一层循环处理页目录

for( ; size-->0 ; from_dir++,to_dir++) {

if (1 & *to_dir)

panic("copy_page_tables: already exist");

if (!(1 & *from_dir))

continue;

from_page_table = (unsigned long *) (0xfffff000 & *from_dir);

if (!(to_page_table = (unsigned long *) get_free_page()))

return -1; /* Out of memory, see freeing */

*to_dir = ((unsigned long) to_page_table) | 7;

nr = (from==0)?0xA0:1024;

// 第二层循环处理页表

for ( ; nr-- > 0 ; from_page_table++,to_page_table++) {

this_page = *from_page_table;

if (!(1 & this_page))

continue;

this_page &= ~2;

*to_page_table = this_page;

if (this_page > LOW_MEM) {

*from_page_table = this_page;

this_page -= LOW_MEM;

this_page >>= 12;

mem_map[this_page]++; //增加物理页引用计数

}

}

}

invalidate();

return 0;

}

  • 分配物理页

put_page函数为指定虚拟页分配物理页,并在页表中登记映射关系。

//为进程虚页分配分配物理页,主要过程

//1. 调用get_free_page分配一个物理页

//2. 调用put_page在页表中修改页项,建立虚页到物理页的映射

void get_empty_page(unsigned long address)

{

unsigned long tmp;

// 如果不能取得有一空闲页面,或者不能将所取页面放置到指定地址处,则显示内存不够信息。

if (!(tmp=get_free_page()) || !put_page(tmp,address)) {

free_page(tmp); /* 0 is ok - ignored */

oom();

}

}

//将物理页映射到地址address中

unsigned long put_page(unsigned long page,unsigned long address)

{

unsigned long tmp, *page_table;

/* NOTE !!! This uses the fact that _pg_dir=0 */

if (page < LOW_MEM || page >= HIGH_MEMORY)

printk("Trying to put page %p at %p

",page,address);

if (mem_map[(page-LOW_MEM)>>12] != 1)

printk("mem_map disagrees with %p at %p

",page,address);

page_table = (unsigned long *) ((address>>20) & 0xffc);

if ((*page_table)&1)

page_table = (unsigned long *) (0xfffff000 & *page_table);

else {

if (!(tmp=get_free_page()))

return 0;

*page_table = tmp|7;

page_table = (unsigned long *) tmp;

}

page_table[(address>>12) & 0x3ff] = page | 7; //登记页表项

/* no need for invalidate */

return page;

}

  • 释放物理页

free_page_tables函数释放连续一到多个虚拟页,并修改页表。

int free_page_tables(unsigned long from,unsigned long size)

{

unsigned long *pg_table;

unsigned long * dir, nr;

if (from & 0x3fffff)

panic("free_page_tables called with wrong alignment");

if (!from)

panic("Trying to free up swapper memory space");

size = (size + 0x3fffff) >> 22;

dir = (unsigned long *) ((from>>20) & 0xffc); /* _pg_dir = 0 */

for ( ; size-->0 ; dir++) {

if (!(1 & *dir))

continue;

pg_table = (unsigned long *) (0xfffff000 & *dir); // 取页表地址

for (nr=0 ; nr<1024 ; nr++) {

if (1 & *pg_table) // 若该项有效,则释放对应页。

free_page(0xfffff000 & *pg_table);

*pg_table = 0; // 该页表项内容清零。

pg_table++; // 指向页表中下一项。

}

free_page(0xfffff000 & *dir); // 释放该页表所占内存页面。

*dir = 0; // 对应页表的目录项清零

}

invalidate(); // 刷新页变换高速缓冲。

return 0;

}

分段内存管理

虚拟内存被划分为多个逻辑段,代码段、只读数据段等,不同数据段的属性不同,方便管理和保护安全。

全局描述符表(GDT)和局部描述符表(LDT)用于记录段信息,包含段基址和段限长等。GDT用于记录内核使用的各种数据段,仅有一个;LDT用于记录进程使用的各种数据段,一个进程对应一个。

寄存器GDTR和LDTR分别用于存储GDT首地址和当前运行进程的LDT首地址。运行于用户态时,地址翻译使用LDTR寄存器指向的进程段表;运行于内核态时,地址翻译使用LDTR寄存器指向的内核段表。

段页式内存管理

前面分别介绍了分页内存管理和分段内存管理,及两者各自地址翻译过程,此处总结linux段页式内存翻译的整个流程,并介绍一些相关的寄存器和TLB快表。

地址翻译过程主要分为两个部分:段+偏移二维逻辑地址转化为虚拟线性地址;虚拟线性地址转化为物理地址。第一部分翻译过程依赖数据结构GDT或LDT,其中记录了段信息;第二部分翻译过程依赖页表数据结构,记录了虚拟页到物理页的映射关系,CR3寄存器存储当前进程页目录地址。

  • MMU:设置好寄存器GDTR、LDTR、CR3寄存器后,MMU内存管理单元只懂执行地址翻译过程。

  • TLB:多级页表导致地址翻译过程较慢,使用TLB快表可缓存页表项,加快地址翻译过程。

页面出错异常

缺页或者写时拷贝会都会引起页面出错异常(page_fault int14),但错处码不同。page_fault中断处理函数根据出错码调用do_no_page处理缺页中断,或者调用do_wp_page处理写时拷贝。

缺页处理

进程访问虚地址内存时,若未分配物理内存,将导致页面出错异常(page_fault int14),并调用异常处理函数do_no_page()

do_no_page将为虚拟页分配物理页,并从磁盘调入相应数据(若该虚页对应磁盘数据)。

void do_no_page(unsigned long error_code,unsigned long address)

{

int nr[4];

unsigned long tmp;

unsigned long page;

int block,i;

address &= 0xfffff000;

tmp = address - current->start_code;

if (!current->executable || tmp >= current->end_data) {

get_empty_page(address);

return;

}

if (share_page(tmp))

return;

if (!(page = get_free_page()))

oom();

//执行映像文件中(外存中),读入内存块对应的数据

/* remember that 1 block is used for header */

block = 1 + tmp/BLOCK_SIZE;

for (i=0 ; i<4 ; block++,i++)

nr[i] = bmap(current->executable,block);

bread_page(page,current->executable->i_dev,nr);

//文件末尾数据可能不足一个内存块,剩下的内存空间清0

i = tmp + 4096 - current->end_data;

tmp = page + 4096;

while (i-- > 0) {

tmp--;

*(char *)tmp = 0;

}

// 最后把引起缺页异常的一页物理页面映射到指定线性地址address处。若操作成功

// 就返回。否则就释放内存页,显示内存不够。

if (put_page(page,address))

return;

free_page(page);

oom();

}

写时拷贝

fork新进程时,父子进程共享相同的物理内存页,并设置共享内存页只读。当父子进程中的一个写共享内存时,将导致页面出错异常(page_fault int14),并调用异常处理函数do_wp_page()处理。

do_wp_page会对共享内存页取消共享,并复制出一个新的内存页,使用父子进程各拥有一份自己的物理页面,可正常读写。

void do_wp_page(unsigned long error_code,unsigned long address)

{

#if 0

/* we cannot do this yet: the estdio library writes to code space */

/* stupid, stupid. I really want the libc.a from GNU */

if (CODE_SPACE(address))

do_exit(SIGSEGV);

#endif

// 调用上面函数un_wp_page()来处理取消页面保护。

un_wp_page((unsigned long *)

(((address>>10) & 0xffc) + (0xfffff000 &

*((unsigned long *) ((address>>20) &0xffc)))));

}

// 取消保护页函数

void un_wp_page(unsigned long * table_entry)

{

unsigned long old_page,new_page;

old_page = 0xfffff000 & *table_entry;

if (old_page >= LOW_MEM && mem_map[MAP_NR(old_page)]==1) {

*table_entry |= 2;

invalidate();

return;

}

if (!(new_page=get_free_page())) //分配新页

oom();

if (old_page >= LOW_MEM)

mem_map[MAP_NR(old_page)]--;

*table_entry = new_page | 7;

invalidate();

copy_page(old_page,new_page); //复制物理页

}

以上是 Linux0.11源码阅读笔记内存管理 的全部内容, 来源链接: utcz.com/z/520302.html

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