linux物理内存分配方式

Linux内核的物理内存分配基本方式

在Linux内核中，物理内存分配的基本方式可以通过以下几个方面进行解释。

1. 内核启动阶段的物理内存分配

在Linux内核启动阶段，内核需要为自身和各个子系统分配物理内存。这个过程包括以下几个步骤：

• 内核从BIOS或者bootloader中获取系统的物理内存信息。

• 内核根据系统的内存布局，将物理内存分成多个区域，如低端内存、高端内存等。

• 内核为自身分配一部分物理内存，包括内核代码、数据、堆栈等。

• 内核为各个子系统分配物理内存，如设备驱动、文件系统等。

2. 动态分配物理内存

在运行时，Linux内核还需要动态分配物理内存来满足进程和内核的需求。这个过程包括以下几个关键点：

页框分配： 内核使用页框作为最小的内存分配单位。当一个进程或内核需要分配物理内存时，内核会使用页框分配算法来选择可用的物理页框。页框可以通过使用位图或者链表等数据结构来管理。

伙伴系统： 为了高效地管理和分配物理内存，Linux内核采用了伙伴系统。伙伴系统将整个物理内存空间分成不同大小的块（通常是2的幂次方），每个块称为一个伙伴块。当一个进程需要分配内存时，内核会在合适的伙伴块中找到一个合适大小的块来满足需求。

页面回收： 当物理内存不足时，Linux内核会使用页面回收机制来回收部分物理内存。页面回收可以通过将不再使用的内存页面写回硬盘，或者将内存页面移动到交换分区来实现。回收后的物理内存可以重新分配给其他进程或内核使用。

3. 内存管理算法

为了高效地管理物理内存，Linux内核采用了一些内存管理算法。其中一些重要的算法包括：

最先适应算法（First Fit）： 内核首先查找第一个满足分配要求的伙伴块。这个算法简单直观，但可能导致伙伴块的碎片化。

最佳适应算法（Best Fit）： 内核在所有可用的伙伴块中选择最小的一个来满足分配需求。这个算法可以减少碎片化，但需要更多的搜索开销。

学术探讨　２００９年ｌ２月　分页式虚拟内存管理及Ｌｉｎｕｘ实现　文／李呙　摘要：本文分析了操作系统的页式虚拟存储管理机制，并结合当前支持多平台的Ｌｉｎｕｘ操作系统，根据其中虚拟存储的特　点，详细分析了在Ｌｉｎｕｘ系统下的页式内存虚拟实现，重点指出了Ｌｉｎｕｘ所独特的具体实现过程，其中包括请页机制，物理内存　分配与回收和交换机制等。　关键词：内存１分页；虚拟；Ｌｉｎｕｘ　中图分类号：ＴＰ３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６－４１１７（２０１０）０１－－００６４－－０１　现代大多数计算机操作系统由于内存空间的限制，都采用　了虚拟内存空间管理的方法。虚拟存储管理器通过在辅存中建　立一个虚拟地址空间，提供了一个物理存储器的抽象，并且在　任意时刻“自动地”确定哪部分地址空间被加载在内存中，系　统处理在内存和辅存之间地址空间块的来回传送，而无须人工　干预。现在大部分的虚拟内存系统都采用了分页式虚拟内存管　理。提高其管理性能可增强计算机的运行速率和工作效率。本　文即介绍分页式虚拟内存管理的过程并结合Ｌｉｎｕｘ操作系统介　绍其实现。　一．实现过程　１、地址转换。在分页式虚拟内存管理系统中，虚拟地址　空间划分成许多页，页是一段连续的虚拟地址空间。相应的，　物理内存空间也划分成多个页帧。页和页帧的大小是相同的，　一个页可以映射到一个页帧。页表项（Ｐａｇｅ　Ｔａｂｌｅ　Ｅｎｔｒｙ，　ＰＴＥ）包含有与主存中的页相对应的帧号，对应的页是否在主　存中的存在位（Ｐ），页的内容从上次装入至今是否改变的修　改位（Ｍ）。图示如下：　Ｔ＿ｉ　磊　＿ｒ——　—］　为了将逻辑地址转换成物理地址，系统中必须设置地址变　换机构。但是现在计算机使用的虚拟地址一般是３２位的，而且　每次访问内存都要进行地址转换，这将严重影响系统效率。现　实中使用ＴＬＢ（Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ　Ｌｏｏｋａｓｉｄｅ　Ｂｕｆｆｅｒ）以及三级页　表等解决上述问题。　２、请求页面调度。　虚拟内存管理中，进程驻留在次级存　储器。当访问到某页中的一个单元时才将该页取入内存。当一　个进程第一次启动时，会出现大量的页错误，当越来越多的页　被取入内存时，根据局部性原理，在一段时间后错误会逐渐平　息下来，页错误的数目会降的很低。　３、页面置换算法。在进程运行过程中，若其所要访问的　页面不在内存而需把它们调入内存，但内存无空闲空间时，系　统必须从内存中调出一页程序或数据，送磁盘的对换区中。页　面置换算法（Ｐａｇｅ—Ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ）确定将哪个页　面调出。　二、Ｌｉｎｕｘ中的分页虚拟内存管理具体实现　Ｌｉｎｕｘ是多用户、多任务的操作系统，存储资源由多个进程　有效共享。Ｌｉｎｕｘ内存管理的设计充分利用了计算机系统所提　供的虚拟存储技术，真正实现了虚拟存储器管理。其虚拟地址　空间大小为４ＧＢ，内核将这４Ｇ的空间分为两部分，高１Ｇ为内核　空间，低３Ｇ为内核空间，ＮｌＬｉｎｕｘ可以拥有４ＧＢ的虚拟空间。　１、Ｌｉｎｕｘ虚拟寻址　Ｌｉｎｕｘ使用三级页表结构，且与平台无关，由页目录，页　中间目录和页表构成。Ｌｉｎｕｘ中的虚拟地址可由４个域组成，　其地址转换与前述类似。　２、ＬｉｎＵＸ请页机制。在ＬｉｎＨＸ中，当一个进程执行时，　如果Ｃ　Ｐ　Ｕ访问到一个有效的虚地址，但是这个地址对应的页　不在内存，则ＣＰＵ产生一个缺页异常，并将这个虚地址存入　ＣＲ２存储器，然后调用缺页异常处理程序ｄｏ＿ｐａｇｅＪａｕｌｔＯ　有两种方法装入所缺的页，取决于此页是否与磁盘文件　建立了映射关系。可以调用ｄｏ＿ｎ０一ｐａｇｅ（）函数检查虚存区描　述符的ｎｏｐａｇｅ域来确定这一点。若ｎｏｐａｇｅ域不为空，说明　映射了一个磁盘文件，ｎｏｐａｇｅ域指向执行从磁盘读入操作的　函数；若ｎｏｐａｇｅ域为空，虚存区没有映射磁盘文件。因此，　ｄｏ＿ｎｏｐａｇｅＯ调用ｄｏ＿ａｎｏｎｙｍｏｕｓ＿ｐａｇｅ０函数，获得一个新的　页面。　３、物理内存分配与回收。在Ｌｉｎｕｘ中，虚存区间的分配在　前，物理页面的分配在后。随着用户程序的执行和结束，系统　不断地分配和释放物理页面，这导致在已分配的内存块中分散　着许多小的空闲页面，即外碎片。外碎片无法满足大块连续页　面的分配要求。为此，Ｌｉｎｕｘ采用伙伴（ｂｕｄｄｙ）算法来解决　外碎片问题。它把所有的空闲页面分为１０个块组，每组中块的　大小是２ｎ个页面，且把同样大小的块形成一个链表。然后把　大小相等且物理地址连续的两个块合并为一个块。　４、交换机制。物理页面的换入换出主要过程如下，其中　涉及Ｌｉｎｕｘ中的ｐａｇｅ结构￥［１ｆｒｅｅ＿ａｒｅａ结构。　释放页面。如果一个页面变为空闲可用，就把该页面的　ｐａｇｅ结构链入某个空闲队￣ｌｌｆｒｅｅ＿ａｒｅａ，同时页面的使用计数　ｃｏｕｎｔ减１。　分配页面。调用在￣ｇｅｔ＿ｆｒｅｅ＿ｐａｇｅ０从某个空闲队列分配　内存页面，将页面的使用计数ｃｏｕｎｔ置为１。　活跃状态。已分配的页面处于活跃状态，该页面的数据结　构ｐａｇｅ￣过其队列头结构ｌｍ链入活跃页面队￣ｉｌａｃｔｉｖｅ＿ｌｉｓｔ，并在　进程地址空间中至少有一个页与该页面之间建立了映射关系。　总结：操作系统中的虚拟存储技术是当今计算机领域的热　点之一。它的优劣直接影响到计算机的性能的好坏。Ｌｉｎｕｘ是　一个功能强大的实际的操作系统，每个技术环节都有其自身的　特点，特别在系统架构方面有其独到的特点。在Ｌｉｎｕｘ虚拟内　存方面的性能改善将成倍的提高计算机在实际应用中的价值和　生产率。本文为虚拟内存的理论阐述，可作为相关方向的理论　介绍材料，对提高计算机实际应用能力有一定帮助。　作者单位：东北林业大学信息与计算机工程学院　参考文献：　【ｌｌＡｂｒａｈａｍ　Ｂａｅｒ　Ｇａｌｖｉｎ等．郑扣银译．ＯＰＥＲＡＴＩＮＧ　ＳＹＳＴＥＭ　ＣＯＮＣＥＰＴＳ［Ｍ］．北京：高等教育出版社．２００５．　【２】ｗｉｌ１ｉａｍ　Ｓｔａｌｌｉｎｇｓ，陈渝译．Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　Ｉｎｔｅｒｎａｌｓ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ［Ｍ］．北京：电子工业出版社．２００７．

２００６年６月第２期　教学与科技　

Ｌｉｎｕｘ的进程地址空间研究　

蒋波李方军　邓豫蜀赵杨梅　

（中国工程物理研究院工学院，四川绵阳，６２１９００）　

摘要本文研究了Ｌｉｎｕｘ进程的虚拟地址空间管理，包括页表结构、内存分配策略、线性地址区间结　构，线性地址到物理地址的映射等。　关键词进程；　线性地址；　用户模式；　内核模式　

Ｏ引言　

Ｌｉｎｕｘ从１９９１年问世至今已经历了许多版本，本文讨论在８０ｘ８６平台上的Ｌｉｎｕｘ　２．６版本，８０ｘ８６　微处理器把段和偏移组成的逻辑地址通过分段单元转换成线性地址，线性地址再通过分页单元被转换　

成物理地址，线性地址也被称为虚拟地址，它是一个３２位的无符号整数，它可以寻址多达４ＧＢ的存　

储空间。　

１物理内存布局　

Ｌｉｎｕｘ　２．６采用Ｎｏｄｅ节点、Ｚｏｎｅ区和Ｐａｇｅ页三级结构来描述物理内存，它支持非一致存储器访问　

（Ｎｕｍａ）模型，在这种模型中，给定ＣＰＵ对不同存储器单元的访问时间可能不一样，系统的物理内　

存被划分为几个节点，在一个单独的节点内，任一给定ＣＰＵ访问页所需时间都是相同的。但在实际的　

８０ｘ８６体系结构中，ＩＢＭ兼容ＰＣ使用一致存储器访问（Ｕｍａ）模型，Ｎｕｍａ并不真正被需要，整个物　

理内存都被组织在一个单独的节点中。在这个节点内的物理内存被划分成三个Ｚｏｎｅ区：Ｚｏｎｅ—ｄｍａ的　

范围是内存的头１６Ｍ，它是Ｉｓａ　ｄｍａ可访问的区域；Ｚｏｎｅ—ｎｏｒｍａｌ的范围是１６Ｍ￣８９６Ｍ，它是内核可　

直接映射区域：Ｚｏｎｅ＿ｈｉｇｈｍｅｍ包含了高于８９６Ｍ的页帧。　８０×８６微处理器常规分页使用了两级页表：页目录表（位３１～２２）和页表（位２１～１２），从　ＰｅｎｆｉｕｍＰｒｏ开始，微处理器地址引脚从３２增加到３６根，Ｉｎｔｅｌ引入了物理地址扩展（ＰＡＥ）机制以把　

３２位线性地址转换为３６位物理地址，ＰＡＥ机制使用三级页表，３２位线性地址被分成四部分：页目录　

指针表ＰＤＰＴ（３１￣３０）、页目录表（２９￣２１）、页表（２０￣－１２）和页内偏移（１１～０），三级页表的每一　

linux ion用法 -回复

Linux中的ion是一种内存管理机制，它为用户空间程序提供了一种将块分配到非连续的物理内存上的能力。Ion是Linux内核中的一个子系统，最早是为了支持Android开发而引入的，但现在已经成为标准的Linux内存管理特性之一。本文将详细介绍Ion的用法、工作原理以及如何在Linux中使用Ion来管理内存。

一、Ion的用途和特点

Ion是一种用于管理内存的机制，它的主要用途是为用户空间程序提供一种将块分配到非连续的物理内存上的能力。Ion具有以下特点：

1. 支持用于图形处理、多媒体等应用的大块扩展内存。

2. 可以使用物理内存和设备内存进行交互，以支持离屏渲染、图像拼接等操作。

3. 可以将数据存储在物理内存和设备内存之间进行自动迁移，以实现高性能和低功耗。

4. 提供了用户空间的内存分配、映射和释放等接口，方便开发者进行内存管理。

二、Ion的工作原理

Ion的核心是一个内核模块，它提供了一系列的API接口供用户空间程序使用。用户空间程序可以通过这些接口来分配、映射和释放内存。

具体来说，Ion的工作原理可以分为以下几个步骤：

1. 初始化：用户空间程序首先需要初始化Ion子系统，可以通过调用ion_device_open()函数来获取一个Ion设备句柄。

2. 分配内存：一旦获取了Ion设备句柄，用户空间程序就可以使用ion_alloc()函数来分配内存。在分配内存时，可以指定内存的大小、对齐方式和属性等参数。

3. 映射内存：分配到的内存在使用之前需要进行映射。用户空间程序可以使用ion_map()函数将分配到的内存映射到自身的地址空间。

4. 使用内存：映射成功后，用户空间程序就可以使用这块内存进行读写操作了。

5. 释放内存：一旦不再需要这块内存，用户空间程序可以使用ion_free()函数将内存释放回Ion子系统。

三、使用Ion管理内存

在Linux中，使用Ion管理内存主要有以下几个步骤：