【8】linux中的内存管理

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4、物理地址、虚拟地址及线性地址 物理地址、 几个地址名词
物理地址： 物理地址：将主板上的物理内存条所提供的内存空间定 义为物理内存空间 物理内存空间， 义为物理内存空间，其中每个内存单元的实际地址就是 物理地址。 物理地址。 虚拟地址： 虚拟地址：将应用程序员看到的内存空间定义为虚拟地 址空间(或地址空间 其中的地址就叫虚拟地址 或地址空间)， 虚拟地址(或虚地 址空间 或地址空间 ，其中的地址就叫虚拟地址 或虚地 偏移量” 址)，分段机制下，一般用“段：偏移量”的形式来描 ，分段机制下，一般用“ 述。 线性地址：指一段连续的，范围为0到 的地址空间 的地址空间， 线性地址：指一段连续的，范围为 到n的地址空间，一 个线性地址就是线性地址空间的一个绝对地址。 个线性地址就是线性地址空间的一个绝对地址。
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关于内核源码学习
系统实现的具体细节最终落到源代码上。从理解运行机制出发， 系统实现的具体细节最终落到源代码上。从理解运行机制出发，分 析各种数据结构。在理论明了、有一定的程序基础后再阅读梳理代码， 析各种数据结构。在理论明了、有一定的程序基础后再阅读梳理代码，这 是需要反复且花功夫的一件事。 是需要反复且花功夫的一件事。 阅读工具 帮助追踪复制调用， 帮助追踪复制调用，数据结构定义等 windows环境下利用 环境下利用Source windows环境下利用Source Insight linux环境下利用 环境下利用lxr(linux reference)或glimpse等 linux环境下利用lxr(linux cross reference)或glimpse等 阅读顺序 一般按顺序阅读启动代码；然后进行专题阅读，如进程部分， 一般按顺序阅读启动代码；然后进行专题阅读，如进程部分，内存 管理部分等。在每个功能函数内部应该一步步来。OK，感兴趣的话， 管理部分等。在每个功能函数内部应该一步步来。OK，感兴趣的话，反复 读。 纵向：顺着程序的执行顺序逐步进行。 纵向：顺着程序的执行顺序逐步进行。 横向： 横向：分模块进行 划分不是绝对的， 划分不是绝对的，而是经常结合在一起进行 Linux的启动 顺着linux的启动顺序读，大致流程如下（ X86平台 的启动： linux的启动顺序读 Linux的启动：顺着linux的启动顺序读，大致流程如下（以X86平台 为例）： 为例）： ./arch/x86/boot/bootSect.S ./arch/x86/boot/setup.S ./arch/x86/kernel/head.S ./init/main.c中的 中的start_kernel() ./init/main.c中的start_kernel() 对于内存管理等部分，可以单独拿出来按模块进行阅读分析。 对于内存管理等部分，可以单独拿出来按模块进行阅读分析。 参考书——《LINUX内核源代码情景分析》 《LINUX内核源代码情景分析》 参考书 内核源代码情景分析
Linux中的内存管理 Linux中的内存管理
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从机器加电启动开始， 从机器加电启动开始，处理器就在不 断的取指令、执行指令。 断的取指令、执行指令。内存分配和内存 寻址是关系系统运行很重要的问题。 寻址是关系系统运行很重要的问题。 要更深入理解系统底层的管理机制， 要更深入理解系统底层的管理机制， 难免要涉及内核实现机制的分析。 难免要涉及内核实现机制的分析。本章将 先分析内存管理， 先分析内存管理，然后再通过具体实例进 行编程体验。 行编程体验。
linux上的程序文件面向硬件只描述代码段和数据段（ linux上的程序文件面向硬件只描述代码段和数据段（各有 上的程序文件面向硬件只描述代码段和数据段 内核态和用户态） 个段，且段基址都为0 段界限为4GB 4GB。 内核态和用户态）共4个段，且段基址为0，段界限为4GB。 段机制前后地址实际上没有变化， 段机制前后地址实际上没有变化，然后进入分页机制
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思考： 下使每个段基址为 4GB。 思考：linux下使每个段基址为0，段界限为4GB。 下使每个段基址为0 段界限为4GB linux的段机制下 的段机制下a 段的第一条指令地址偏移不是0 ①linux的段机制下a、b段的第一条指令地址偏移不是0，所以即使 段基址都是0，地址也不会重叠； 段基址都是 ，地址也不会重叠； 每个段界限最大到4G 内存不够用怎么办？ 4G， ②每个段界限最大到4G，内存不够用怎么办？ 虚拟内存的关键——只装入部分不足时置换，具体由页机制处理。 只装入部分不足时置换， 虚拟内存的关键 只装入部分不足时置换 具体由页机制处理。
段a 段机制 页机制 内存
页表 段b 段b 段a
地址映射
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体系结构的机器上， 程序helloworld反汇编后观察指令地址 反汇编后观察指令地址——逻辑地址 例：i386体系结构的机器上，对c程序 体系结构的机器上 程序 反汇编后观察指令地址 逻辑地址 虚拟地址）。 （虚拟地址）。 linux下常用 下常用ELF格式可执行文件，ld总是从地址 格式可执行文件， 总是从地址 总是从地址0x8000000开始安排程序代码段。 开始安排程序代码段。 下常用 格式可执行文件 开始安排程序代码段 观察下图可以看到实际上 实际上linux下整个虚拟地址空间是线性的。 下整个虚拟地址空间是线性的。 下整个虚拟地址空间是线性的 观察下图可以看到实际上
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何谓“支持硬件分段机制” ① 何谓“支持硬件分段机制”： 在要求分段的硬件下，地址处理必须的流程是通过 在要求分段的硬件下， 段寄存器找到段处理的相关信息：段基址、段界限等。 段寄存器找到段处理的相关信息：段基址、段界限等。 面对intel这种强硬需求，linux必须提供这些信息 intel这种强硬需求 必须提供这些信息， 面对intel这种强硬需求，linux必须提供这些信息， 并提供程序流程进行分段处理。 Linux没有妥协 没有妥协， 并提供程序流程进行分段处理。但Linux没有妥协， 它做了特殊的段机制设计： 它做了特殊的段机制设计：
段a
段机制 段b
页机制
内存
页表 段b 段a
外存
地址映射
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总之
linux下针对intel硬件设计了段机制， linux下针对intel硬件设计了段机制，但所有段基址都 下针对intel硬件设计了段机制 长度不超过4G 这个段机制前后地址不发生变化。 4G。 是0，长度不超过4G。这个段机制前后地址不发生变化。 配合linux这种特殊的段设计， linux这种特殊的段设计 配合linux这种特殊的段设计，最关键的是生成的虚拟 地址，虽然看似段：偏移的二维形式， 地址，虽然看似段：偏移的二维形式，但实际上是一维 平坦的地址空间。 平坦的地址空间。 在这样的设计下内存分配和内存寻址 过程实际上有下面几步
方便移植： ② 方便移植：
段机制前后地址实际上没有变化——意谓着在不要求分段的 意谓着在不要求分段的 段机制前后地址实际上没有变化 意谓着 其他硬件平台上， 其他硬件平台上，上述的段处理程序就可以很容易的裁掉而 不影响分页地址处理。 不影响分页地址处理。
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思考： 下使每个段基址为 4GB。 思考：linux下使每个段基址为0，段界限为4GB。 下使每个段基址为0 段界限为4GB 比较a 段的第一条指令地址，若按段思维，段基址都是0 ①比较a、b段的第一条指令地址，若按段思维，段基址都是0，段内指 令从偏移0开始，两个段指令地址不就相同了，即使有分页机制， 令从偏移0开始，两个段指令地址不就相同了，即使有分页机制，也 无法区别开他们映射的内存地址啊？ 无法区别开他们映射的内存地址啊？
① 系统初始化时装入OS内核程序： 系统初始化时装入 内核程序：这意谓着 内核程序 要构建操作系统进程，最关键的还包括给内核分配 要构建操作系统进程，最关键的还包括给内核分配 空间并构建内核占用空间的页表——记录内核在内 空间并构建内核占用空间的页表 记录内核在内 存的哪里。（内存分配） 。（内存分配 存的哪里。（内存分配） 初始化完成后，内核程序已放进内存。 ② 初始化完成后，内核程序已放进内存。执行 阶段，处理器只需按规定的机制查询内核的页表 查询内核的页表找 阶段，处理器只需按规定的机制查询内核的页表找 到要执行的指令然后依次执行即可， 到要执行的指令然后依次执行即可，当然难免遇到 程序跳转，可利用栈进行相应的跳转和返回。 程序跳转，可利用栈进行相应的跳转和返回。（内 存寻址） 存寻址）
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如何运行用户程序的第1条指令？ 如何运行用户程序的第 条指令？ 条指令
由内核装入用户程序：同样要构建用户程序的进程， ① 由内核装入用户程序：同样要构建用户程序的进程， 用户进程分配空间并构建页表——记录下来进程 给用户进程分配空间并构建页表 记录下来进程 在内存的哪里。（内存分配） 。（内存分配 在内存的哪里。（内存分配） 用户程序装入后， ② 用户程序装入后，执行阶段处理器也是按规定的机 查询用户进程的页表找到要执行的指令然后依次 制查询用户进程的页表找到要执行的指令然后依次 执行即可，难免遇到程序跳转，可利用栈进行相应 执行即可，难免遇到程序跳转， 的跳转和返回。 内存寻址） 的跳转和返回。（内存寻址） 实际上内存分配和内存寻址方式 是密切联系的， 是密切联系的，先假设用户程序 的内存已经分配， 的内存已经分配，看看 指令寻址过程具体是怎样的
系统段表是为了应付硬件写好的固定内容， 系统段表是为了应付硬件写好的固定内容，用户 程序不需要管 装入程序 时完成
①形成虚拟地址 分配内存—构造页表 ②分配内存 构造页表 执行——开始段页机制寻址 ③执行 开始段页机制寻址
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1）elf文件装入，各种信息生成并记录： elf文件装入，各种信息生成并记录： 文件装入 进程相关： pcb（task_struct） 进程相关： pcb（task_struct） 内核栈 装入 内存相关： 内存相关： ----------------源代码 通过读可执行程序中的内容形成虚拟地址相关信息 ----------------(mm_struct)：代码段“ **到**”，数据段“ 内核 **到 (mm_struct)：代码段“从**内核数据段 数据段“从**到 到**” ---------------**”等等——形成虚拟内存空间。 ——形成虚拟内存空间 **”等等——形成虚拟内存空间。 ----------------堆栈 编译 ----------------内核代码段 分配一定的内存， 分配一定的内存，伴随着分配内存就要记录占用的内 ELF 存信息,页表就构造出来了。 存信息,页表就构造出来了。 可执行文件 a.o 栈 分段 ----------------链接 ----------------b.o c.o