Linux内核虚拟存储之探析
LINUX虚拟存储浅析
内偏移 j f e。物理地址 iP EP (G (p d)j m )j t +. st .s o t = T (MD P Dj g ) . d+.e j fe。 . +p p) o i8 36的情 况 是特 殊 的 , 由于 i8 3 6系列 的历 史 演变 过 程 , 它对 页 式存 储 管 理 的支 持 , 在其 段 式存 储 管 是
映射、 公平 的物理 内存 分配等.文章介绍 了虚拟存储相 关机制的部分知识 .
关键词 : 虚拟地 址; 虚拟存储 : 页; 请 交换 ; 共享 内存
中图分类号: P 1 T 36
文献标识码: A
文章鳊号 :6 199 ( 0 6 0 -0 7 3 17 -8 1 20 ) 20 5 - 0
换空 间 中 , 程 准 备执 行 这 些信 息 。为 了取得 第 一条 指 令 , 程 需要 引 用包 含 该 程 序 的入 口地 址 的虚 拟 地 进 进 址空 间 部分 。如 果 进程 引用 的页还 没 有装 入 主存 , 么会 产 生一 个缺 页 中断 , 储 管理 程 序 将 该 页 从辅 存 那 存
理 已经 存 在 了相 当长 的 时 间 以后才 发展 起 来 的 ,i8C U 中 的 内存 管 理 单元 ( 36 P MMU) 定 的对程 序 中使 规 用 的地 址 先 进 行 段 式 映射 , 然后 才 能进 行 页 式 映 射 , 际上 LN X 内核 所 采 取 的方 法 是 使段 式 映射 的过 实 IU 程 不起 什 么 作用 。对 于其 它 的处 理 器 , M6K、o e C等 , 根本 不 存 在段 式 映 射这 一层 。与 段式 存 储 如 8 Pwr P 就 管理 相 比, 式 存储 管 理有 很 多好 处 。 先 , 面都 是 固 定大 小 的 , 于 管理 。 重 要 的是 , 页 首 页 便 更 当要 将 一部 分物 理 空 间 的 内容 换 出到 磁 盘 上 时 , 段 式 存 储 管 理 中 要将 整 个 段 ( 常 都 很 大 ) 换 出, 在 页 式 存 储 管 理 在 通 都 而 中则 按 页进 行 , 率 显然 要 高得 多 u 效 】 。
Linux内核虚拟存储之探析
据 结 构 做 了相 应 的 分析 描 述 。
【 关键字】 i x :Ln , u 虚拟内 分页管理 存,
( 从 C 3寄存器 中找到 P D基地址 ; 1 1 R G ()以线性地址 的最 高位段为下标 ,在 P D中找到指向 P 2 G T 的 指针 : ()同理 , P 3 在 T中找到指 向页面的指针 ; f】 4 线性地址的最后位段 , 为在此 页中的偏移量 这样就完成 了从 线性地址到物理地址 的映射过程 。实际上 Lnx内核虚 拟页式存储 管理采用三 次映射机制实 现从线性地 iu 址到物 理地址的映射 , 目的在于能够在各种 C U上通用。方法 P 是 在 P D和 P G T之 间 还 有 中 间 目录 P MD (aem dl i t pg ided o  ̄c . r)对于 3 y, 2位平 台 ,i x采用让 P ( Ln u MD  ̄间 目录1 0来消除 中 全 间 目录域 。 从而保证 了 Ln x 多种硬件平台的支持 。 iu 对 Ln x对虚拟 内存 的管理以进程为基础 3 的线性地址 iu 2位 映 射 的 4 B 的 虚 拟 空 间 . 从 O C 0 00 G x 0 0 0 0到 O F FF F X F 下 F F的 1 B空 间为所 有进 程共 享的 内核空 间.每个 进程都 有 自己的 G 3 B用 户空间 。Lnx虚存管理机制需要各 种机制 的支持 . G iu 这些 存 时 , 时运 用请 求 调 页 。 这 机 制 是 地址 映 射 机 制 , 求 分 页 机 制 , 请 内存 分 配 和 回 收 机 制 , 缓 ( )由于 每 个 程 序 只 加 载 部 分 页 面 就 可 以 启 动 运行 .所 节 存和刷新机制 , 2 交换 机制 。 内存共享机制。具体过程是首先内存 省 的内存空间又可以保存更 多的就绪 进程 .以提高内存 的使用 管理程序通过映射机制把用户程序的逻辑地址映射 到物理地 址 率 ( 地址映射机制 ) ,在用户程序运行时如果发现程序中要用的虚 事实证明虚存的实现在现有 的体 系结构中发挥了重要 的作 地 址 没 有 对应 的 物 理 内存 时 .就 发 出 了 请 求 分 页 ( 求 分 页 机 请
操作系统--虚拟存储
操作系统--虚拟存储操作系统虚拟存储在当今的计算机世界中,操作系统扮演着至关重要的角色,它就像是一位幕后的大管家,默默地管理着计算机的各种资源,让我们能够高效、便捷地使用计算机完成各种任务。
而在操作系统众多的功能中,虚拟存储技术无疑是一颗璀璨的明珠,为计算机的性能提升和资源管理带来了巨大的变革。
那么,什么是虚拟存储呢?简单来说,虚拟存储就是一种将物理内存和外部存储(如硬盘)结合起来,为用户提供一个比实际物理内存更大的地址空间的技术。
在没有虚拟存储的情况下,计算机程序能够访问的内存空间大小是由物理内存的大小决定的。
但是,物理内存的容量是有限的,这就限制了计算机能够同时运行的程序数量和规模。
而虚拟存储技术的出现,打破了这个限制,让计算机能够“假装”拥有比实际更多的内存。
想象一下,你正在使用电脑同时运行多个程序,比如浏览器、办公软件、音乐播放器等等。
如果没有虚拟存储,当这些程序所需要的内存总和超过了物理内存的容量时,系统就会变得非常卡顿,甚至可能会崩溃。
但是有了虚拟存储,操作系统会将暂时不使用的程序数据和代码保存到硬盘上,当需要再次使用时再重新加载到内存中,从而为正在运行的程序腾出更多的内存空间。
虚拟存储技术主要通过分页和分段两种方式来实现。
分页是将内存空间和程序的地址空间都划分成固定大小的页,而分段则是根据程序的逻辑结构将其划分成不同的段。
无论是分页还是分段,它们的目的都是为了更好地管理内存,提高内存的利用率。
在分页系统中,当程序需要访问某个页面时,如果该页面不在内存中,就会触发缺页中断。
操作系统会将所需的页面从硬盘加载到内存中,并更新页表,让程序能够继续正常运行。
这个过程对于用户来说是完全透明的,用户感觉不到页面的换入换出,仿佛一直在使用一个巨大的连续内存空间。
分段系统则更侧重于根据程序的逻辑结构来划分内存。
比如,一个程序可以分为代码段、数据段、堆栈段等。
这样的划分方式更符合程序的实际需求,也便于对程序进行管理和保护。
Linux虚拟存储管理剖析
合肥 师范学院学报
J u n l fHee Te c esColg o r a fi a h r l e o e
N0v 2 08 . 0
Vo. 6No 6 12 .
Ln x虚 拟 存 储 管 理 剖析 iu
殷 荣庆
1 引 言
ME 是 8 6 M 9 MB 至 未 尾 。每 个 管 理 区 由 一 个
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3 Ln x页表 管理 iu
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Linux的虚拟内存管理和Cache机制探析_张磊
一
月
焦 作 大学 学 报
南
第
期
的 虚 拟 内存 管 理 和
张 磊
,
机 制 探i析
刘艳 霞
5 4 4 0 0
河 南 理 工 大 学 河南 焦 作
摘 要 : 探 讨 并 剖 析 了 iL n u 关 键 词 : 虚 拟 内存 ; 中图 分类号
:
x
的 虚 拟 内 存 管理 机 制 和 C a c b e 作 用 机制
,
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,
的扩 展
,
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u n
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32
位线性地址 模式 将 内存物理
,
的一部分存到硬盘
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3 2
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内核 源 代 码 分 析 [
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] 北 京
《深度探索Linux系统虚拟化:原理与实现》记录
《深度探索Linux系统虚拟化:原理与实现》阅读随笔目录一、内容描述 (2)1.1 虚拟化的概念 (3)1.2 Linux系统虚拟化的背景 (4)二、Linux系统虚拟化原理 (6)2.1 虚拟化技术的基本原理 (7)2.2 Linux系统虚拟化的关键实现技术 (9)三、Linux系统虚拟化实现方法 (10)3.1 KVM虚拟化技术 (12)3.2 Xen虚拟化技术 (13)3.3 VMware虚拟化技术 (15)3.4 QEMU/KVM混合虚拟化技术 (16)四、Linux系统虚拟化实例分析 (17)4.1 CentOS系统虚拟化实践 (18)4.2 Ubuntu系统虚拟化实践 (19)五、Linux系统虚拟化性能优化 (21)5.1 硬件资源优化 (23)5.2 软件资源优化 (24)5.3 系统配置优化 (25)六、Linux系统虚拟化安全问题及防范措施 (27)6.1 虚拟化环境下的安全隐患 (28)6.2 安全防护策略与工具 (29)七、总结与展望 (31)7.1 本书总结 (32)7.2 未来发展趋势 (33)一、内容描述在科技飞速发展的时代,虚拟化技术已成为信息技术领域的重要组成部分。
《深度探索Linux系统虚拟化:原理与实现》为我们系统、全面地揭示了Linux系统虚拟化的奥秘。
本书的内容描述涵盖了虚拟化技术的理论基础、实现方法和实践应用,是学习和掌握Linux系统虚拟化技术的理想读物。
本书介绍了虚拟化的基本概念和原理,包括虚拟化的定义、分类、发展历程以及其在云计算、大数据等领域的应用。
通过对虚拟化技术的原理进行深入剖析,帮助读者理解虚拟化技术的基本思想和工作机制。
本书详细阐述了Linux系统虚拟化的实现方法。
包括系统虚拟化的关键组件、技术细节以及实现流程。
通过对KVM、Xen等主流虚拟化技术的讲解,使读者了解Linux系统虚拟化的技术实现和实际应用。
还介绍了虚拟化管理的相关工具和技术,如Docker容器技术等。
linux ramdisk 原理
linux ramdisk 原理Linux RAMDISK,也叫做内存磁盘,是一种将内存作为虚拟硬盘的技术。
它将内存的一部分空间用作块设备,以便用于存储和访问文件系统。
在本文中,我们将详细介绍Linux RAMDISK的工作原理和优点。
Linux RAMDISK的工作原理是通过将一块连续的物理内存区域映射到一个块设备上来实现的。
这个映射关系允许操作系统和用户程序像使用传统磁盘一样使用内存空间。
当文件系统在RAMDISK上创建文件或读取文件时,数据将直接存储在内存中,而不是从磁盘读取或写入。
首先,内核启动时,它会为RAMDISK分配一段连续的物理内存。
这段内存被标记为不可交换(non-swappable),这意味着它不会被移入或移出交换分区。
然后,在操作系统初始化过程中,RAMDISK设备将会被创建,并与刚刚分配的内存绑定。
这个设备将显示为一个块设备(类似于硬盘),并具有一个设备文件(例如/dev/ram0)。
接下来,用户可以使用工具例如mkfs、mount等来在RAMDISK上创建文件系统,并将其挂载到一个挂载点上。
文件系统可以是任何Linux支持的类型,如ext4、XFS等。
一旦文件系统被挂载,RAMDISK就可以像普通磁盘一样进行读写操作。
当用户向RAMDISK写入文件时,数据将直接写入到分配的内存区域中。
当用户从RAMDISK读取文件时,数据将直接从内存中读取。
这种无需访问物理磁盘的直接存取方式使得RAMDISK具有非常低的读写延迟和高的速度。
由于RAMDISK是基于内存的,因此它具有许多优点。
首先,由于内存的读写速度较快,所以RAMDISK可以提供更高的性能和响应速度。
这对于需要频繁读写大量数据的应用程序来说尤为重要,如数据库服务器、虚拟机等。
其次,RAMDISK与物理磁盘相比,具有更低的访问延迟。
因为它不需要旋转磁盘和磁头寻址,所以几乎可以立即访问数据。
这在需要高吞吐量和低延迟的应用程序中非常有用,如高性能计算(HPC)或实时数据处理。
最新48实例研究linux虚拟存储
(2)换出SYSTEM V共享内存占用页面;
(3)换出或丢弃进程占用页面。
3 缺页中断和页面换入(1)
• 当进程访问了一个还没有有效页 表项的虚拟地址时,处理器将产 生缺页中断,通知操作系统,并 把缺页的虚拟地址(保存在CR2 寄存器中)和缺页时访问虚存的 模式一并传给缺页中断处理程序。
内存的共享和保护(2)
• 对进程的虚拟地址加锁或保护,实 质是对vma段的vm_flags属性与 VM_LOCKED进行或操作。
• 虚存加锁后,对应的物理页框驻留 内存,不再被页面置换程序换出。
• 加锁操作有4种:对指定的一段虚拟 空间加锁或解锁;对进程所有的虚 拟空间加锁或解锁。
4.8.6交换空间、页面换出和源自入 1、交换空间48实例研究Linux虚拟存储管 理
4.8.1Linux虚拟存储管理概述(1)
• Linux用户进程可访问4GB线性地址空间。从 0从3GB的虚拟内存地址是用户空间。
• 3GB到4GB的虚拟内存地址是内核态空间, 存放仅供内核态访问的代码和数据。
• 页表分为三层: •页目录PGD、中间页目录PMD和页表PTE。 •Pentium 计 算 机 上 被 简 化 成 两 层 , PGD 和 PMD合二为一。
缺页中断和页面换入(3)
• 通过以上两步检查,可以确定缺 页中断是否合法,进而进程进一 步通过页表项中的位P来区分缺 页对应的页面是在交换空间 (P=0且页表项非空)还是在磁 盘中某一执行文件映像的一部分。 最后进行页面调入操作。
4.8.7缓冲机制
虚存管理的缓冲机制主要 包括: • kmalloc cache • swap cache • page cache
深度探索Linux系统虚拟化:原理与实现
内容摘要
通过这些内容,读者可以更深入地理解虚拟化的实现细节,并在实践中应用这些知识提高虚拟化 环境的性能和稳定性。 为了帮助读者更好地理解和应用虚拟化技术,本书还提供了一些实用的工具和软件介绍。这些工 具包括用于创建和管理虚拟机的命令行工具,如virt-manager、qemu-utils等,以及用于监控 和管理虚拟化环境的工具,如libvirt、virsh等。通过这些工具,读者可以更加方便地在Linux 系统中实现和管理虚拟化环境。 《深度探索Linux系统虚拟化:原理与实现》是一本非常全面且实用的书籍。无论是对虚拟化技 术有一定了解的读者还是新手,都可以从这本书中获得有价值的信息和启示。本书不仅可以帮助 读者深入理解Linux系统虚拟化的原理和实现,同时也可以指导读者如何在实践中应用这些知识 创建和管理高效的虚拟化环境。
作者简介
作者简介
这是《深度探索Linux系统虚拟化:原理与实现》的读书笔记,暂无该书作者的介绍。
谢谢观看
阅读感受
阅读感受
作为一名计算机科学的研究生,我最近阅读了《深度探索Linux系统虚拟化: 原理与实现》这本书,这本书的作者是几位在虚拟化领域有着深厚造诣的专家。 这本书以其透彻而系统的讲解方式,让我对Linux系统虚拟化有了更深入的理解。
阅读感受
我想谈谈这本书的内容和结构。这本书共分为五大部分,分别从不同的角度 和层次讲解了Linux系统虚拟化的原理和实现。第一部分介绍了虚拟化的基本概 念,以及在Linux系统中实现虚拟化的必要性。第二部分则深入探讨了单核系统 向多核系统演进的虚拟化原理和实现方式。第三部分则详细讲解了Intel的VT-d 技术以及硬件辅助虚拟化的实现。第四部分和第五部分则分别从容器技术和现代 云计算环境的角度,探讨了虚拟化的应用和实践。
linux 中虚拟内存和交换空间的原理和应用
linux 中虚拟内存和交换空间的原理和应用虚拟内存和交换空间是Linux操作系统中的两个重要概念,用于管理系统内存资源的效率和容量。
虚拟内存是一种机制,它允许运行于计算机内存中的程序访问比实际物理内存更大的内存空间。
虚拟内存通过将部分程序和数据存储在硬盘上的交换空间中,以释放物理内存供其他程序使用。
当程序需要访问之前被换出到交换空间的数据时,通过操作系统将其重新加载到物理内存中。
这样,虚拟内存可以为每个程序提供一个连续的内存空间,使得程序可以像访问物理内存一样访问全部地址空间。
交换空间是硬盘上用于存储被换出的程序和数据的一块空间。
当物理内存不足以容纳所有运行的程序和数据时,操作系统会将一部分不常用的内容移动到交换空间中。
当程序再次需要访问这些数据时,操作系统会将其从交换空间加载到物理内存中。
交换空间的大小通常由系统管理员或者操作系统自动设置,可以根据实际的系统资源和需求进行调整。
虚拟内存和交换空间的应用有以下几个方面:1. 内存管理:虚拟内存和交换空间可以将物理内存扩展到比实际内存更大的范围,从而允许系统运行更多的程序或处理更大的数据集。
2. 内存分页:虚拟内存使用分页的方式管理内存,将程序和数据划分成固定大小的页面,使得内存的访问更加高效。
3. 内存回收:当系统的物理内存不足时,操作系统会将不常用的页面换出到交换空间中,以释放物理内存供其他程序使用。
4. 系统稳定性:通过使用虚拟内存和交换空间,系统可以更好地应对内存资源紧张的情况,避免因为内存不足而导致系统崩溃或出现错误。
总之,虚拟内存和交换空间在Linux系统中发挥着重要的作用,提供了更高效的内存管理和系统资源利用方式,提升了系统的性能和稳定性。
虚拟存储管理实验总结
虚拟存储管理实验总结虚拟存储是一种计算机操作系统的存储管理技术。
通过虚拟存储技术,操作系统能够把正在运行的程序看成是存储在主存储器中的一部分。
当程序需要的数据暂时不存在于主存储器时,操作系统会自动把暂时不用的程序或数据存放在磁盘上,并在需要时再自动调入主存储器中,从而以较小的主存储器容量来运行大程序。
在本次虚拟存储管理实验中,我们学习了虚拟存储管理技术的实现原理以及相关算法。
通过该实验,我们深入理解了进程运行时的存储管理过程,并通过实际操作和调试,进一步巩固了对操作系统的理论知识和实践应用的掌握。
一、实验环境本次实验主要在Linux操作系统上进行。
Linux内核由于其源代码公开、开放平台、代码规范等优点,成为了广大计算机科学爱好者学习操作系统的首选。
我们还需要安装实验所需的MAM分配器和SSTF调度器等辅助工具。
二、实验过程实验的主要步骤包括:1.分配器的实现。
我们需要实现MAM分配器,该分配器要求能够自动将进程使用的内存块分配出去,且在进程退出时自动释放所使用的内存块。
2.虚拟地址转换实现。
实验中,我们需要使用页表来管理虚拟地址。
通过页表,可以将虚拟地址转换为物理地址,从而操作系统可以向硬盘中读写数据。
3.页面置换算法实现。
当内存不足时,虚拟存储会通过一些页面置换算法将部分进程在内存中的页面清除,以留下新的内存页面。
我们需要实现SSTF算法,即使用磁盘上最近访问时间最短的页面作为置换页面。
4.进程初始化和各种信号灯的设置。
进程初始化时,需要使用fork函数创建子进程并将进程挂入等待队列中,以等待分配内存同步完成。
信号灯的设置则是为了保证操作的原子性和同步性。
实验中,我们首先实现了MAM分配器,通过实现内存块分配和释放函数,它可以很好地帮助我们管理分配出去的内存块。
接着,我们着手实现虚拟地址转换功能,需要对物理内存和虚拟内存进行管理。
由于高速缓存可以从磁盘中不用重复读取数据,所以我们还需要实现页面管理算法,以保证内存的有效利用。
linux存储器管理分析
linux存储器管理分析摘要:本文首先从介绍linux开始,以存储器管理下的内存管理为主要线索详细分析了linux下存储器管理系统的设计原理。
内存管理是存储器管理的重点,因此本文重点分析的内存管理主要包括虚拟内存、磁盘缓存的相关结构体系及其存储方式,地址映射以及空间分布等等。
最后介绍在此基础上介绍一些相关命令的语义及其用法等。
关键词:Linux操作系统、虚拟内存、磁盘缓存、页表管理、物理内存、内存映射、地址空间分配引言:Linux存储管理的主要功能包括如下三方面:虚拟存储器功能:为每个进程提供4GB的虚拟内存空间存储保护:各个进程的虚拟存储空间彼此独立、相互隔离存储共享:进程之间可以共享存储器内存(Main Memory或Primary Memory或Real Memory)也称主存是指CPU能直接存取指令和数据的存储器。
磁盘、磁鼓和磁带等存储器,一般称为外存或辅存(Secondary Storage)。
内存是现代计算机系统进行操作的中心, CPU和I/O系统都要和内存打交道,Linux 内核采用虚拟页式存储管理,采用三次映射机制实现从线性地址到物理地址的映射。
其中PGD为页面目录,PMD为中间目录,PT为页面表。
32位的微机平台如Intel的X86采用段页式的两层映射机制,而64位的微处理器采用三级分页。
对于传统的32位平台,Linux 采用让PMD(中间目录)全0来消除中间目录域,这样就把Linux逻辑上的三层映射模型落实到X86结构物理上的二层映射,从而保证了Linux对多种硬件平台的支持。
Linux的虚拟内存管理需要各种机制的支持,首先内存管理程序通过映射机制把用户程序的逻辑地址映射到物理地址,在用户程序运行时如果发现程序中要用的虚拟地址没有对应的物理地址,就发出请页要求:如果有空闲的内存可供分配,就请求分配内存,并把正在使用的物理页记录在页缓存中,如果没有足够的内存分配,就调用交换机制,腾出一部分内存。
Linux关于虚拟内存
Linux关于虚拟内存虚拟内存是个怎么强调也不过分的概念,它的存在极大地方便了程序设计任务,解放了程序员的手脚。
下面看看虚拟内存的作用以及如何在存储管理机制的基础上实现它。
关于虚拟内存:什么是虚存?为什么需要它?我们知道程序代码和数据必须驻留在内存中才能得以运行,然而系统内存数量很有限,往往不能容纳一个完整程序的所有代码和数据,更何况在多任务系统中,可能需要同时打开子处理程序,画图程序,浏览器等很多任务,想让内存驻留所有这些程序显然不太可能。
因此首先能想到的就是将程序分割成小份,只让当前系统运行它所有需要的那部分留在内存,其它部分都留在硬盘。
当系统处理完当前任务片段后,再从外存中调入下一个待运行的任务片段。
的确,老式系统就是这样处理大任务的,而且这个工作是由程序员自行完成。
但是随着程序语言越来越高级,程序员对系统体系的依赖程度降低了,很少有程序员能非常清楚的驾驭系统体系,因此放手让程序员负责将程序片段化和按需调入轻则降低效率,重则使得机器崩溃;再一个原因是随着程序越来越丰富,程序的行为几乎无法准确预测,程序员自己都很难判断下一步需要载入哪段程序。
因此很难再靠预见性来静态分配固定大小的内存,然后再机械地轮换程序片进入内存执行。
系统必须采取一种能按需分配而不需要程序员干预的新技术。
虚拟内存(之所以称为虚拟内存,是和系统中的逻辑内存和物理内存相对而言的,逻辑内存是站在进程角度看到的内存,因此是程序员关心的内容。
而物理内存是站在处理器角度看到的内存,由操作系统负责管理。
虚拟内存可以说是映射到这两种不同视角内存的一个技术手段。
)技术就是一种由操作系统接管的按需动态内存分配的方法,它允许程序不知不觉中使用大于实际物理空间大小的存储空间(其实是将程序需要的存储空间以页的形式分散存储在物理内存和磁盘上),所以说虚拟内存彻底解放了程序员,从此程序员不用过分关心程序的大小和载入,可以自由编写程序了,繁琐的事情都交给操作系统去做吧。
探索 Linux 内核虚拟机
Ari Kivity 已经编写了一组测试工具来测试 KVM,而不需要全部的设备模型.下面的代码片断(来自于 kvm-12/user/main.c)从较高的层次上查看了 VM 的启动(请参见 清单 1).控制特性是由内核中的 ioctls 提供的(具体来说,在 ./linux-2.6.20/drivers/kvm/kvm_main.c 文件中). 对 kvm_init 的调用会打开 /dev/kvm 设备,检查版本号(由 KVM 内核模块导出),然后分配一个 KVM 上下文对象并填充一些回调函数.kvm_create 函数会建立并映射两个内存区域,然后使用 ioctl(KVM_CREATE_VCPU)创建一个虚拟 CPU(VCPU). load_file 函数然后会将映像加载到给定的 VM 的地址空间中,然后调用 kvm_run 执行该 VM(使用 ioctl KVM_RUN).尽管这个过程非常简单,但是它解释了如何使用 KVM 实例化新客户操 作系统. 清单 1. 测试 KVM 系统管理程序的应用程序片断
此时它就称为主机操作系统如虚拟化的分层抽象处理器对于虚拟化的支持由于平台虚拟化的优点非常有用因此处理器供应商已经修改了自己的芯片来直接支持这种方法
探索 Linux 内核虚拟机
学习 KVM 架构及其优点
级别: 中级 M. Tim Jones, 顾问工程师, Emulex 2007 年 5 月 28 日 Linux 既有良好的灵活性,在虚拟化方面同样出色.但是最近,随着内核虚拟机 (KVM)的出现,Linux 虚拟化的前景发生了变化.KVM 是构成主流 Linux 内核 (V2.6.20)一部分的第一个虚拟化解决方案.KVM 支持 Linux 客户操作系统的虚拟化 —— 甚至支持其硬件对虚拟化敏感的 Windows 系统的虚拟化.了解 Linux KVM 的架构 并了解它与内核的紧密集成为何会改变您使用 Linux 的方式.
基于Linux内核的虚拟化技术研究
基于Linux内核的虚拟化技术研究随着计算机技术的不断发展,虚拟化技术也不断壮大,成为了云计算、大数据等领域的关键技术之一,而Linux内核作为通用操作系统内核,也成为了虚拟化技术的重要基础。
本文将主要探讨基于Linux内核的虚拟化技术研究及其在实际应用中的一些问题。
一、Linux内核虚拟化技术的发展历程Linux内核虚拟化技术的发展经历了多个阶段,从最初的利用chroot实现轻量级的进程隔离,到后来的利用Namespace等实现容器化,再到后来的利用KVM等实现全虚拟化,其发展可以说是与Linux内核的发展密切相关。
在Linux内核2.4时,最初的chroot技术只实现了轻量级的隔离,它仅仅通过改变进程的根目录来实现隔离,但并没有隔离其他资源。
在Linux内核2.6时,引入了Namespace机制,利用Namespace可以隔离不同的运行环境,例如不同的网络、文件系统、IPC等,它是容器化的基础。
在Linux内核2.6.20时,Linux内核引入了KVM,它是一种全虚拟化技术,通过利用硬件虚拟化技术实现了对虚拟机的完全隔离。
二、基于Linux内核的虚拟化技术分类基于Linux内核的虚拟化技术可以分为两类,一类是基于轻量级隔离实现的容器化技术,另一类是基于硬件虚拟化实现的全虚拟化技术。
容器化技术是相对轻量级的虚拟化技术,它利用Linux内核的Namespace、Cgroups等机制实现进程、网络、文件系统、IPC等资源的隔离,从而实现了各种环境的隔离,但是它并不会创建一个完整的虚拟机,因此容器化技术比全虚拟化技术更节省计算资源。
全虚拟化技术则是通过利用硬件虚拟化技术实现对虚拟机的完全隔离,它可以实现对不同操作系统的运行,并提供了可独立调整的硬件资源,但是它相对于容器化技术来说会更消耗系统资源。
三、基于Linux内核的虚拟化技术的问题在实际应用中,基于Linux内核的虚拟化技术会存在一些问题。
例如:1)性能问题虚拟化技术的开销是会存在的,特别是在全虚拟化技术中,每次对硬件设备的虚拟访问都需要产生额外的开销,从而导致系统性能的下降。
Linux操作系统中的虚拟内存管理
Linux操作系统中的虚拟内存管理在计算机系统中,内存是至关重要的一个组成部分。
在早期计算机系统中,由于内存相对昂贵,只有极少数的程序能够同时驻留在内存中运行。
为了解决这个问题,虚拟内存技术在1970年代被提出,并不断发展完善。
Linux操作系统是使用虚拟内存技术的最卓越例子之一。
虚拟内存是指计算机系统中一种利用硬盘上的空间来缓存暂时未使用的内存区域的技术。
虚拟内存使得某些进程可以在主存离散的物理空间上运行,但它们似乎是全部在连续的虚拟内存中运作。
在Linux操作系统中,虚拟内存是在全局空间内被管理的,它会被分成很多块,并且每一块会被对应到不同的进程空间中。
这意味着,相同虚拟地址在不同进程上的含义是不同的。
在Linux下,内存的虚实映射由三个不同的层级来管理。
最高层级是进程空间。
每个进程都有各自的4GB地址空间,其中用户空间是进程可用的空间,内核空间是供系统调用使用的空间。
其次是页面层次,在这个层次中,虚拟内存被分成大小相同的页,每页的尺寸通常为4KB。
页是虚拟地址和物理页框的映射单元。
最后,页帧是物理内存空间中的单元,是与RAM的大小相同的存储区。
虚拟地址空间中每个页的内容将存储在物理地址空间中的页帧中,这些页帧可以是分散的。
在Linux下,虚拟内存的管理实际上是由内核来处理的。
内核维护一个内存映射表(MMU),这个表描述了虚拟地址空间中每个部分所对应的物理内存的地址。
内核使用MMU来确保每个线程只能访问属于它的内存区域,并且将某些内存区域与硬盘上的交换文件关联,以便在内存空间有限的情况下进行虚拟内存交换。
在Linux中,虚拟内存管理有三个基本的操作:分配,释放和交换。
分配是指内核将一个新的虚拟地址空间与物理内存对应起来。
释放是指将一个虚拟地址空间与物理内存断开。
交换是指将某个部分的虚拟地址空间与硬盘上的交换文件关联起来,以便腾出物理内存空间。
在应用程序访问虚拟内存时,它会向内核发出一些调用,以请求内核为它分配一些虚拟内存。
linux内存原理
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Linux内存原理是操作系统中非常重要的一部分,它直接影响着系统的性能和稳定性。
在Linux系统中,内存被分为两种类型,分别是物理内存和虚拟内存。
物理内存是指计算机中实际存在的内存,它是CPU能够直接寻址的内存。
而虚拟内存则是指操作系统为进程分配的一段虚拟地址空间,它包括了物理内存和硬盘上的交换空间。
在Linux系统中,内存管理主要包括三个方面,分别是内存分配、内存释放和内存回收。
内存分配是指操作系统将虚拟地址空间分配给进程使用,内存释放则是指进程释放所占用的虚拟地址空间,内存回收则是指操作系统将不再使用的内存回收。
Linux系统中还有一种特殊的内存区域,称为内核空间。
内核空间是操作系统内核所占用的内存空间,它包括了操作系统的代码和数据。
内核空间是系统的核心部分,它具有很高的优先级,能够直接访问物理内存和硬件设备。
Linux系统采用了一种称为页面置换的技术来管理内存。
页面置换是指将不再使用的页面从物理内存中换出,换入的页面则将被存放到交换空间中。
页面置换的算法有很多种,例如先进先出算法、最近最少使用算法等。
总之,Linux内存原理是Linux系统中非常重要的一部分,它直接影响着系统的性能和稳定性。
了解Linux内存原理可以帮助我们更好地理解操作系统的工作原理,并且可以优化系统的性能。
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Linux内核虚拟存储之探析刘广亮1,李贞双1,杜瑞卿2(1.河南南阳师范学院计算机系河南南阳4730612.河南南阳师范学院生命科学系河南南阳473061)【摘要】:对Linux2.4内核中虚拟存储管理系统的工作原理进行了研究,并对内核中虚拟存储管理中的重要算法、数据结构做了相应的分析描述。
【关键字】:Linux,虚拟内存,分页管理1.引言Linux是一个遵循POSIX(PortableOperatingSystemInter-face)标准的操作系统,它继承了UNIX系统优秀的设计思想,拥有简练、容错强、高效而且稳定的内核。
在它的内存管理设计中,充分利用了计算机所提供的虚拟存储技术,真正实现了虚拟存储器管理。
这既能够克服物理内存的局限,又能使用户进程在透明方式下,拥有比实际物理内存大得多的内存。
linux可运行在支持虚拟存储器管理的Intel系列,Apple系列,DECAlpha系列、MIPS和Motorola系列上,本文我们选择基于Inte1x86平台的linux2.4版本的虚拟存储管理进行分析。
2.一般虚存管理技术满足下面的设计目标的分段和分页以及段页式管理技术的就是所谓的虚拟存储器:(1)在进程的生命周期内,不需要将程序的全部代码都装入主存后再运行,如果cpu要执行和访问的指令和数据不在主存时,这时运用请求调页。
(2)由于每个程序只加载部分页面就可以启动运行,所节省的内存空间又可以保存更多的就绪进程,以提高内存的使用率。
事实证明虚存的实现在现有的体系结构中发挥了重要的作用,这成功的依据是时间局部性和空间局部性。
对实现虚拟存储管理的软件算法包括以下内容:(1)调入方式:请求页面调入和预约页面调入(2)放置算法:首次适配算法,临近适配算法和最佳适配算法(3)替换算法:最优替换算法,最近最少使用算法,先进先出算法和时钟算法(4)替换范围:局部替换算法和全局替换算法(5)释放算法:请求式清除和预约式清除(6)装入控制:这主要是确定驻留在主存中的最大进程数(7)交换区控制:这片区域是开辟在磁盘上的一片空间,要对它进行控制3.Linux虚存管理概述现代操作系统都实现了"虚拟内存"这一技术,不但在功能上突破了物理内存的限制,使程序可以操纵大于实际物理内存的空间,更重要的是,"虚拟内存"是隔离每个进程的安全保护网,使每个进程都不受其它程序的干扰。
Linux系统在Inte1x86平台上提供了分页管理和分段管理,一般来说,分段管理实现程序的保护,而分页管理实现虚拟存储。
在32位Inte1x86上分页管理的基本框架是两层映射模式,也就是页全局目录PGD(Pageglobaldirectory)和页表PT(pagetable)如图1,其中PDBR(pagedirectorybasereg-ister)是页目录基址寄存器,也就是CR3中的值,保存页目录的物理基地址。
具体的映射过程为:(1)从CR3寄存器中找到PGD基地址;(2)以线性地址的最高位段为下标,在PGD中找到指向PT的指针;(3)同理,在PT中找到指向页面的指针;(4)线性地址的最后位段,为在此页中的偏移量这样就完成了从线性地址到物理地址的映射过程。
实际上Linux内核虚拟页式存储管理采用三次映射机制实现从线性地址到物理地址的映射,目的在于能够在各种CPU上通用。
方法是在PGD和PT之间还有中间目录PMD(pagemiddledirecto-ry),对于32位平台,Linux采用让PMD(中间目录)全0来消除中间目录域,从而保证了Linux对多种硬件平台的支持。
Linux对虚拟内存的管理以进程为基础。
32位的线性地址映射的4GB的虚拟空间,从0xC0000000到0XFFFFFFFF的1GB空间为所有进程共享的内核空间,每个进程都有自己的3GB用户空间。
Linux虚存管理机制需要各种机制的支持,这些机制是地址映射机制,请求分页机制,内存分配和回收机制,缓存和刷新机制,交换机制,内存共享机制。
具体过程是首先内存管理程序通过映射机制把用户程序的逻辑地址映射到物理地址(地址映射机制),在用户程序运行时如果发现程序中要用的虚地址没有对应的物理内存时,就发出了请求分页(请求分页机制),如果有空闲的内存可供分配,就请求分配内存(内存的分配和回收机制),并把正在使用的物理页记录在缓存中(缓存和刷新机制)。
如果没有足够的内存可供分配,就调用交换机制(交换机制),腾出部分内存(内存共享机制)。
另外在地址映射中要通过TLB(translationlook-asidebuffers)来寻找物理页,交换机制中也要用到交换缓存.并把物理页内容交换到交换文件中后也要修改页表来映射文件地址。
4.Linux虚存管理主要数据结构及算法一个进程的虚拟地址映射靠3个数据结构来描述:mm_struct、vm_area_struct、page。
这三个结构的作用如下所述:(1)mm_struct:进程的虚拟空间由mm_struct描述,该数据结构包含当前执行程序的映象信息(用户进程中与存储有关的信息),以及一些指向vmareastruct结构的指针(2)vm_area_struct:linux采用虚存段(VMA,vitualmemoryarea)的方式管理进程虚存空间。
一个VMA段是某个进程的一段连续的虚存空间,同一虚存段内的所有单元拥有相同的特征,由vm_area_struct描述(3)page:为了进行动态内存管理,内核必须记录每个页框的使用情况,为此Linux系统中的物理内存的页框定义了一个数据结构page,用它来描述物理内存每一个页框的状态信息虚存空间的管理不像物理空间的管理那样有一个总的物理页面仓库,而是以进程为基础的,每个进程都有各自的虚存空间。
当进程通过系统调用动态分配内存时,Linux首先分配一个vm_area_struct结构,并链接到进程的虚拟内存链表,当后续指令访问这一内存区域时,产生缺页异常。
系统处理时,通过分析缺页原因、操作权限之后,如果因为页面不再内存中,则Linux会分配新的物理页,并建立映射关系。
如果页面(下转第31页)图1:两层映射示意图!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!(上接第57页)在交换文件中,则进入页面异常服务程序do_page_fault()中恢复映射的代码,重新建立映射关系。
当物理内存出现不足时,就需要换出一些页面。
Linux采用LRU(LeastRecentlyUsed最近最少使用)页面置换算法选择需要从系统中换出的页面。
系统中每个页面都有一个"Age(描述本页的年龄。
用于决定本页是否可以废弃或交换出去。
)"属性,这个属性会在页面被访问的时候改变。
Linux根据这个属性选择要回收的页面,同时为了避免页面"抖动"(即刚释放的页面又被访问),将页面的换出和内存页面的释放分两步来做,而在真正释放的时候仅仅只写回"脏"页面。
这一任务由交换守护进程kswapd完成。
核心交换守护进程(kswapd)在启动时由核心的init进程启动,它是后台守护进程。
通过调用schedule_timeout(HZ)函数对定时器进行初始化,定时器到时由process_timeout()函数唤醒。
在进入for循环后kswapd()通过函数嵌套调用try_to_free_pages()函数进行页面回收的操作。
try_to_free_pages()根据内存的使用情况通过调用shrink_caches()函数完成页面回收操作。
5.缓存和刷新机制为了更好的发挥系统性能,Linux采用了一系列和内存管理相关的高速缓存机制:①交换高速缓存:用于多个近程共享的页面被换出到交换区的情况。
当页面交换到交换文件之后,如果有进程再次访问,它会被重新调入内存。
②缓冲区高速缓存:包含了从设备中读取的数据块或写入设备的数据块。
缓冲区高速缓存由设备标示号和块索引,因此可以快速找到数据块。
如果数据可以在缓冲区中高速缓存中找到,则不需要从物理块设备上读取,从而加快了访问速度。
③页高速缓存:这一高速缓存用来加速对磁盘上的映像和数据访问,它用来缓存某个文件的逻辑内容,并通过文件VFS索引节点和偏移量访问。
当页从磁盘读到物理内存时,就缓存在页高速缓存。
6.结束语:Linux是一个功能强大的实用操作系统,每一部分功能的实现都有自己的特点。
Linux在其发展过程中不断的完善和优化内存管理单元的功能和性能。
该单元作为Linux操作系统的核心部分,在整个系统的运行过程中发挥着举足轻重的作用。
本文在介绍Linux虚存管理工作机制的基础上详细分析了一些关键性数据结构的作用和虚存管理算法的整个过程。
参考文献:1.[美]WilliamStallings.操作系统--精髓与设计原理(第五版)[M].北京:电子工业出版社2006.2.[美]RobertLove.Linux内核设计与实现(英文版・第2版)[M].北京:机械工业出版社20063.毛德操,胡希明.Linux内核源代码情景分析[M].杭州:浙江大学出版社,2003.4.陈莉君.Linux操作系统内核分析[M].北京:人民邮电出版社2003.5.蒋静,徐志伟.操作系统-原理技术与编程[M].北京:机械工业出版社2004.6.[美]GaryNutt.Linux操作系统内核学习(英文版)[M].北京:机械工业出版社2004.为了实现在专用或公共IP网络上的安全传输,安全IP隧道模式IPSec使用安全方式封装和加密整个IP包。
它首先对IP数据包进行加密,然后将密文数据包再次封装在明文IP包内,通过网络发送到接收端的VPN服务器。
VPN服务器对收到的数据包进行处理,在去除明文IP包头,对内容进行解密之后,获得原始的IP数据包,再将其路由到目标网络的接收计算机。
在这三种隧道协议中,点对点隧道协议PPTP和第2层隧道协议L2TP的优点是对用微软公司操作系统的用户来说很方便,因为微软公司已把它们作为路由软件的一部分;缺点是PPTP和L2TP将不安全的IP数据包封装在安全的IP数据包内。
PPTP和L2TP适用于远程访问虚拟专用网。
安全IP隧道模式IPSec的优点是它定义了一套用于认证、保护私密和数据完整性的标准协议,缺点是微软公司对IPSec的支持不够。
IPSec适用于可信的局域网之间的虚拟专用网,即企业内部网VPN应用。
3.2.4SOCKSv5协议SOCKSv5工作在OSI模型中的第五层--会话层,可作为建立高度安全的VPN的基础。
SOCKSv5协议的优势在访问控制,因此适用于安全性较高的VPN。
SOCKSv5现在被IETF建议作为建立VPN的标准。
优点:非常详细的访问控制。