内存管理

虚拟内存

  • 虚拟内存：操作系统为了将进程和物理内存隔离，设计的一种内存映射。

内存分段

虚拟地址

  • 段选择子：
    • 段号（段表的索引）
    • 特权标志位
  • 段内偏移量（0 ~ 段界限）
  • 段表：
    • 段的基地址
    • 段的界限
    • 权限等级
  • 物理地址：段的基地址 + 段内偏移量

内存分段机制

  • 将程序的虚拟地址分为4个段，每个段在段表中有一项，在这一项中找到段的基地址，再加上偏移量，就能找到物理内存中的地址：
    • 代码段
    • 数据段
    • 堆段
    • 栈段

内存分段的问题

  • 内存碎片：
    • 外部内存碎片：产生多个不连续的小物理内存，导致新的程序无法被装载。
    • 内部内存碎片：程序的所有内存都被装载到物理内存中，但部分内存不常使用，导致内存浪费。
    • 解决方式：
      • 内存交换：通过交换技术，减少碎片。
  • 内存交换效率低：
    • 每次内存交换都需要将内存写到硬盘上，再从硬盘上读回到内存，硬盘访问速度较慢，导致性能瓶颈。
    • 解决方式：
      • 内存分页：通过分页管理提高效率。

内存分页

概念

  • 将整个虚拟和物理内存空间切成固定大小的页（在Linux下，每一页的大小为4KB）。
  • 虚拟内存和物理内存之间通过页表来映射。

内存管理单元 (MMU)

  • MMU：负责将虚拟内存转换为物理内存。
  • 当进程访问的虚拟地址在页表中查不到时，会产生一个缺页异常，进入内核空间分配物理内存、更新页表、最后返回用户空间，恢复进程的运行。

分页的优势

  • 解决内存碎片：分页释放的内存是以页为单位，不会产生无法使用的小内存碎片。
  • 提高内存交换效率：内存不足时，可以将不常使用的内存页面换出，换入时只需加载少量页，提高了效率。
  • 延迟加载：程序运行时才加载需要的内存页面。

虚拟内存地址的结构

  • 页号：页表的索引。
    • 页表包含每页物理地址的基地址，加上偏移量即可得到物理地址。
  • 页内偏移量：页内的具体位置。

内存地址转换过程

  1. 将虚拟内存地址切分为页号和偏移量。
  2. 根据页号，从页表查询对应的物理页号。
  3. 将物理页号加上偏移量，得到物理内存地址。

简单页表的问题

  • 页表占用过多内存：在32位系统下，一个进程的页表需要100多万个页表项，占用4MB内存，多个进程会消耗大量内存。

解决方法：多级页表

  • 多级页表：将页表再进行分页，形成页表的页表。
    • 二级页表：一级页表覆盖整个虚拟地址空间，未被使用的一级页表项无需创建二级页表项，节省内存。
    • 多级页表：64位系统中有4级页表：
      • PGD（Page Global Directory）：全局页
      • PUD（Page Upper Directory）：上层页
      • PMD（Page Middle Directory）：中间页
      • PTE（Page Table Entry）：页表项

多级页表转换效率问题

  • TLB（Translation Lookaside Buffer）：在CPU中存放最常访问的页表项的缓存，提升页表查找效率。

段页式内存管理

实现原理

  • 结合内存分段和内存分页：
    • 先将程序划分为多个有逻辑意义的段。
    • 再将段划分为多个页。

访问过程

  1. 第一次访问段表，得到页表起始地址。
  2. 访问页表，得到物理页号。
  3. 将物理页号与页内偏移组合，得到物理地址。

优势

  • 提高内存的利用率。

Linux 内存管理

虚拟地址空间分布

  • 内核空间：
    • 32位系统为1GB，64位系统为128TB，占据最高位。
  • 用户空间：
    • 32位系统为4GB，64位系统为128TB，占据最低位。

内核空间和用户空间的区别

  • 进程在用户态时只能访问用户空间内存。
  • 进入内核态后，才能访问内核空间内存。
  • 每个虚拟内存中的内核地址实际上关联相同的物理内存，方便进程切换到内核态后访问内核空间。

用户空间分布

  • 用户空间从低到高依次包含：
    • 程序文件段：二进制可执行代码。
    • 已初始化数据段：静态常量。
    • 未初始化数据段：未初始化的静态常量。
    • 堆段：动态分配的内存，从低地址向上增长。
    • 文件映射段：动态库、共享内存等，从低地址向上增长。
    • 栈段：局部变量和函数调用的上下文，栈大小一般为8MB。

Linux 的内存管理策略

  • Linux 主要采用分页管理，但由于 Intel 处理器的发展史，无法避免分段管理。
  • Linux 将所有段的基地址设置为0，相当于所有程序的地址空间都是线性地址空间，段仅用于访问控制和内存保护。
  • 用户态内存分布：代码段、全局变量、BSS、堆内存、映射区、函数栈。