Linux物理内存管理概述

2012年4月10日 由 edsionte 留言 »

在内核态申请内存比在用户态申请内存要更为直接,它没有采用用户态那种延迟分配内存技术。内核认为一旦有内核函数申请内存,那么就必须立刻满足该申请内存的请求,并且这个请求一定是正确合理的。相反,对于用户态申请内存的请求,内核总是尽量延后分配物理内存,用户进程总是先获得一个虚拟内存区的使用权,最终通过缺页异常获得一块真正的物理内存。

1.物理内存的内核映射

IA32架构中内核虚拟地址空间只有1GB大小(从3GB到4GB),因此可以直接将1GB大小的物理内存(即常规内存)映射到内核地址空间,但超出1GB大小的物理内存(即高端内存)就不能映射到内核空间。为此,内核采取了下面的方法使得内核可以使用所有的物理内存。

1.高端内存不能全部映射到内核空间,也就是说这些物理内存没有对应的线性地址。不过,内核为每个物理页框都分配了对应的页框描述符,所有的页框描述符都保存在mem_map数组中,因此每个页框描述符的线性地址都是固定存在的。内核此时可以使用alloc_pages()和alloc_page()来分配高端内存,因为这些函数返回页框描述符的线性地址。

2.内核地址空间的后128MB专门用于映射高端内存,否则,没有线性地址的高端内存不能被内核所访问。这些高端内存的内核映射显然是暂时映射的,否则也只能映射128MB的高端内存。当内核需要访问高端内存时就临时在这个区域进行地址映射,使用完毕之后再用来进行其他高端内存的映射。

由于要进行高端内存的内核映射,因此直接能够映射的物理内存大小只有896MB,该值保存在high_memory中。内核地址空间的线性地址区间如下图所示:

从图中可以看出,内核采用了三种机制将高端内存映射到内核空间:永久内核映射,固定映射和vmalloc机制。

2.物理内存管理机制

基于物理内存在内核空间中的映射原理,物理内存的管理方式也有所不同。内核中物理内存的管理机制主要有伙伴算法,slab高速缓存和vmalloc机制。其中伙伴算法和slab高速缓存都在物理内存映射区分配物理内存,而vmalloc机制则在高端内存映射区分配物理内存。

伙伴算法

伙伴算法负责大块连续物理内存的分配和释放,以页框为基本单位。该机制可以避免外部碎片。

per-CPU页框高速缓存

内核经常请求和释放单个页框,该缓存包含预先分配的页框,用于满足本地CPU发出的单一页框请求。

slab缓存

slab缓存负责小块物理内存的分配,并且它也作为高速缓存,主要针对内核中经常分配并释放的对象。

vmalloc机制

vmalloc机制使得内核通过连续的线性地址来访问非连续的物理页框,这样可以最大限度的使用高端物理内存。

3.物理内存的分配

内核发出内存申请的请求时,根据内核函数调用接口将启用不同的内存分配器。

3.1 分区页框分配器

分区页框分配器 (zoned page frame allocator) ,处理对连续页框的内存分配请求。分区页框管理器分为两大部分:前端的管理区分配器和伙伴系统,如下图:

管理区分配器负责搜索一个能满足请求页框块大小的管理区。在每个管理区中,具体的页框分配工作由伙伴系统负责。为了达到更好的系统性能,单个页框的申请工作直接通过per-CPU页框高速缓存完成。

该分配器通过几个函数和宏来请求页框,它们之间的封装关系如下图所示。

这些函数和宏将核心的分配函数__alloc_pages_nodemask()封装,形成满足不同分配需求的分配函数。其中,alloc_pages()系列函数返回物理内存首页框描述符,__get_free_pages()系列函数返回内存的线性地址。

3.2 slab分配器

slab 分配器最初是为了解决物理内存的内部碎片而提出的,它将内核中常用的数据结构看做对象。slab分配器为每一种对象建立高速缓存。内核对该对象的分配和释放均是在这块高速缓存中操作。一种对象的slab分配器结构图如下:

可以看到每种对象的高速缓存是由若干个slab组成,每个slab是由若干个页框组成的。虽然slab分配器可以分配比单个页框更小的内存块,但它所需的所有内存都是通过伙伴算法分配的。

slab高速缓存分专用缓存和通用缓存。专用缓存是对特定的对象,比如为内存描述符创建高速缓存。通用缓存则是针对一般情况,适合分配任意大小的物理内存,其接口即为kmalloc()。

3.3 非连续内存区内存的分配

内核通过vmalloc()来申请非连续的物理内存,若申请成功,该函数返回连续内存区的起始地址,否则,返回NULL。vmalloc()和kmalloc()申请的内存有所不同,kmalloc()所申请内存的线性地址与物理地址都是连续的,而vmalloc()所申请的内存线性地址连续而物理地址则是离散的,两个地址之间通过内核页表进行映射。

vmalloc()的工作方式理解起来很简单:

1.寻找一个新的连续线性地址空间;

2.依次分配一组非连续的页框;

3.为线性地址空间和非连续页框建立映射关系,即修改内核页表;

vmalloc()的内存分配原理与用户态的内存分配相似,都是通过连续的虚拟内存来访问离散的物理内存,并且虚拟地址和物理地址之间是通过页表进行连接的,通过这种方式可以有效的使用物理内存。但是应该注意的是,vmalloc()申请物理内存时是立即分配的,因为内核认为这种内存分配请求是正当而且紧急的;相反,用户态有内存请求时,内核总是尽可能的延后,毕竟用户态跟内核态不在一个特权级。

后记:本文将Linux内核中物理内存管理这部分内容进行框架性总结,对内存管理感兴趣的同学可以从伙伴算法,slab和vmalloc()三个角度去了解和学习物理内存管理。

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8 条评论

  1. 恛忆说道:

    学长,你的博客比网上的资料都全面,好强啊,只是我就是昨天听了你的讲座后才开始了解内存管理的,对linux全然不知。。。。以后就来你这了。。。。嘿嘿

    [回复一下]

    edsionte 回复:

    @恛忆, 一点一点入手。加油。

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  2. firo说道:

    总结的恰当好处,思路清晰。

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    edsionte 回复:

    @firo, 这部分我的确花了很长时间来整理。虽然内容书上都有。。但是我自己感觉整理出只是框架很重要。。负责学习起来很盲目。

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  3. whitepig说道:

    很想知道那图是用工具什么画的

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    edsionte 回复:

    @whitepig, linux下有个工具:dia

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  4. onion说道:

    内核地址空间和用户地址空间的划分是可配置的吧,在x86一般是3G:1G。现在按默认的3G:1G,是不是无论系统的物理RAM是2G, 4G,还是8G,内核可访问实际物理RAM的都不超过1G? 如果RAM只有512M,是不是high_memory就没有必要存在了?

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    edsionte 回复:

    @onion, 3:1那个主要是虚拟内存,物理内存映射到虚拟内存。

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