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Lesson7.4-Linux内存管理子系统.md

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Linux内存管理子系统

Linux内存管理

内存是Linux内核所管理的最重要的资源之一, 内存管理子系统是操作系统中最重要的部分之一. 对于从事Linux系统开发的工程师来说, 熟悉Linux内存管理子系统非常重要

  • 地址类型

    1. 物理地址
    • 出现在CPU地址总线上的寻址物理内存的地址信号, 是地址变换的最终结果.
    1. 线性地址(虚拟地址)
    • 在32位CPU架构下, 可以表示4G的地址空间.
    • 用16进制表示就是 0x00000000 到 0xFFFFFFFF
    1. 逻辑地址
    • 程序代码经过编译后, 出现在汇编程序中的地址

  • 地址转换

    1. Step1. [Logical Address] ---(Segmented unit)---> [Liner Address]
    2. Step2. [Liner Address] ---(Paging unit)---> [Physical Address]

  • 段式管理

    • 16位CPU内部地址总线为20位(1M的内存空间), 但存放地址的寄存器只有16位(64K内存空间), 因此CPU采用了内存分段的管理模式, 加入段寄存器, 把1M内存空间分为若干个逻辑段, 每个逻辑段要求如下:

      1. 逻辑段起始地址(段地址)必须为16的倍数 -> 二进制后4位为0 -> 前16位保存为段基地址
      2. 逻辑段的最大容量为64K

    • 逻辑地址由段地址和偏移地址组成,分别存放在两个16位寄存器中;

      • 线性地址 = 段寄存器值*16 + 偏移地址寄存器值

    • 16位CPU有4个段寄存器, 程序可同时访问4个不同含义的段.

      1. CS + IP: 用于代码段的访问.
      2. SS + SP: 用于堆栈段的访问.
      3. DS + BX: 用于数据段的访问.
      4. ES + BX: 用于附加段的访问.

    • 32位CPU仍然采用分段的管理模式, 但32位CPU采用了两种不同的工作方式:

      1. 实模式. - 与16位一致;
      2. 保护模式
      • 段基地址32位, 每个段的最大容量为4G;
      • 段寄存器值 -> 段地址的选择器;
      • 选择器 -> 从内存中得到一个32位的段地址;
      • 物理地址 = 段地址 + 段内偏移量;

    • 32位CPU内有6个段寄存器, 其值在不同的模式下具有不同的含义:

      1. 实模式下:
      • 段寄存器值*16 => 段地址
      1. 保护模式下:
      • 段寄存器值是一个选择器, 间接指出一个32位的段地址

  • 分页管理

    1. 线性地址页 - 线性地址被分为固定长度的页(page);
    2. 物理页(页框/页桢) - 物理内存也被分页单元划分为固定长度的页, 长度一般与线性地址页一致.

    1. 分页单元中, 页目录的地址放在CPU的cr3寄存器中, 是进行地址转换的开始点.
    2. 每一个进程, 都有其独立的虚拟地址空间, 运行一个进程, 首先需要将它的页目录地址放到cr3寄存器中, 将其他进程的保存下来.
    3. 每一个32位的线性地址被划分为三部分: 页目录索引(10位); 页表索引(10位); 偏移(12位);

    • 依据以下步骤进行地址转换:
      1. 装入进程的页目录地址(OS在调度进程时, 把这个地址装入CR3);
      2. 根据线性地址前10位, 在页目录中, 找到对应索引项, 页目录中的项是一个页表的地址;
      3. 根据线性地址的中间10位, 在页表中找到页的起始地址;
      4. 将页的起始地址与线性地址的最后12位相加, 得到物理地址;

  • Linux内存管理

    • Linux内核的设计仅仅有限度的使用了分段机制: 所有段的基地址均为0, 每个段的逻辑地址空间范围均为(0-4GB) => 逻辑地址与线性地址保持一致(逻辑地址的偏移量值 = 线性地址值) => Linux把段机制绕过去,完全利用了分页机制;
    • Linux采用了四级页管理架构, 以兼容二级、三级、四级页管理架构的CPU, 这四级分别为:
      1. 页全局目录;
      2. 页上级目录;
      3. 页中间目录;
      4. 页表;

Linux进程地址空间

  • 虚拟内存

    • Linux 采用虚拟内存管理技术, 使得每个进程都有独立的进程地址空间(大小3GB), 不仅保护OS, 用户程序可使用比实际物理内存更大的地址空间.

    • Linux 将4G的虚拟地址(线性地址)空间划分为2部分:

      1. 0x00000000 - 0xBFFFFFFF (3GB): 用户空间
      2. 0xC0000000 - 0xFFFFFFFF (1GB): 内核空间

    • 用户空间对应进程, 所以每当进程切换, 用户空间也会变化; 每个进程的用户空间完全独立, 互不相干; fork()/execve()/malloc() 等申请和获得的不是物理地址, 仅是虚拟地址;

    • 实际的物理内存只有当进程真的去访问新获取的虚拟地址时, 才会由"请页机制"产生"缺页异常", 从而进入分配实际物理页(页框/页桢)的程序;

  • 动态内存分配

    1. malloc() - 应用程序中使用
    2. kmalloc() - 内核程序中使用
    #include <linux/slab.h>
void* kmalloc(size_t size, int flags)
size: 申请的内存大小;
flags: 分配标志:
  - GFP_KERNEL - 在进程上下文中时分配内存, 可能睡眠;
  - GFP_ATOMIC - 在进程上下文之外时分配内存, 从不睡眠;
  - __GFP_DMA - 要求分配能够DMA的内存区(物理地址在16M以下的页桢)
  - __GFP_HIGHMEM - 要求分配高端内存. (896M以上)

  • 按页分配内存

    1. get_zeroed_page(unsigned int flags) - 返回指向新页面的指针, 并将页面清零;
    2. __get_free_page(unsigned int flags) - 和get_free_page类似, 但不清零页面;
    3. __get_free_pages(unsigned int flags, unsigned int order) - 分配若干个连续的页面, 不清零这段内存区域;
    4. void free_page(unsigned long addr) - 释放页面内存
    5. void free_pages(unsigned long addr, unsigned long order)

    注意: 如果释放的和先前分配数目不等的页面, 会导致系统错误

Linux内核地址空间

  • 内核空间

    • 内核空间由内核负责映射, 并不会跟着进程改变, 是固定的;

  • 高端内存

    • 物理内存896MB以上的部分

  • 内核空间分布

    • 直接映射区 (Direct Memory Region), 从3G开始, 最大896M的线性地址区间, => 线性地址 = 3G + 物理地址
    • 动态映射区 (Vmalloc Region), 该区域的地址由内核函数vmalloc进行分配, 线性空间连续, 但对应的物理空间不一定连续. 可能处于低端内存或高端内存;
    • 永久内存映射区(PKMap Region) - 用于对896MB以上的高端内存进行访问映射;
    • 固定映射区(Fixing Mapping Region) - 线性空间4MB, 和4GB顶端只有4K的隔离带, 每个地址项都服务于特定用途;

Linux内核链表

  • 链表简介

    • 优点:

      1. 建立链表时无需预知数据总量;
      2. 可随机分配空间;
      3. 可高效的在链表中任意位置实时插入或删除数据;

    • 基本数据结构: 数据域和指针域

    • 类型:

      1. 单链表;
      2. 双链表;
      3. 循环链表;

  • 内核链表

    • 数据结构实现: include/linux/list.h
    // 内核链表数据结构定义 => 双向循环链表
struct list_head
{
  struct list_head *next, *prev;
}
    • 内核链表操作
      1. 初始化链表头
      • INIT_LIST_HEAD(list_head *head)
      1. 插入节点
      • list_add(struct list_head *new, struct list_head *head)
      • list_add_tail(struct list_head *new, struct list_head *head)
      1. 删除节点
      • list_del(struct list_head *entry)
      1. 提取数据结构
      • list_entry(ptr, type, member)
      1. 遍历链表
      • list_for_each(struct list_head *pos, struct list_head *head)
    struct list_head *entry;
struct list_head cs46xx_devs; //链表头

list_for_each(entry, &cs46xx_devs)
{
  card = list_entry(entry, struct cs_card, list);
  if (card->dev_midi == minor)
  {
    break;
  }
}

Linux内核定时器

  • 度量时间差

    • 时钟中断: 频率由内核根据HZ来确定, 可配置(50-1200), X86默认1000
    • 每当时钟中断出现, 全局变量jiffies(unsigned long)就加1, 记录了自Linux启动后时钟中断发生的次数, 驱动程序常利用该变量计算不同事件间的时间间隔.

  • 延迟执行

// 忙等待
unsigned long j = jiffies + jit_delay*HZ;
while(jiffies < j)
{
  // do nothing;
}

  • 内核定时器

    • 用途:
      • 用于控制某个函数(定时器处理函数)在未来的某个特定事件执行(一次, 不是循环执行);
    • 结构描述:
    struct timer_list
    {
      struct list_head entry; // 内核使用
      unsigned long expires;  // 超时的jiffies值
      void (*function)(unsigned long); // 超时处理函数
      unsigned long data;     // 超时处理函数参数
      struct tvec_base *base  // 内核使用
    }
  • 函数:
    • 初始化定时器队列结构
      • void init_timer(struct timer_list *timer);
    • 启动定时器
      • void add_timer(struct timer_list *timer);
    • 删除定时器(在超时前)
      • int del_timer(struct timer_list *timer);