实验九Linux内存管理
linux的内存管理器任务和职责
linux的内存管理器任务和职责
Linux的内存管理器的任务和职责如下：
1. 分配和回收内存：Linux的内存管理器负责分配和回收系统的物理内存。
它根据需要将内存分配给进程和系统服务，当它们不再需要时，将它们释放回内存池。
2. 内存映射和交换：内存管理器对于内存映射和交换也负有主要职责。
内存映射是将文件映射到虚拟内存空间或将虚拟内存空间映射到设备文件的过程。
交换则是将不再活跃的进程的内存数据移到磁盘中，以释放物理内存。
3. 内存页缓存：内存页缓存可以提高文件系统的性能，内存管理器可以管理这些缓存，确保缓存的内容始终与磁盘上的文件同步。
4. 虚拟内存管理：内存管理器负责将虚拟内存空间映射到物理内存，同时还需要处理由于内存不足而产生的页面置换和页面调度。
5. 保护和安全性：内存管理器通过设置页面权限位和进行用户空间和内核空间之间的分离来提供保护和安全性。
(4)Linux内存管理实验(2学时)
Linux内存管理实验
实验一打印进程的虚存区
实验内容：编写一个内核模块，打印进程的虚存区，其中通过模块参数把进程的PID传递给模块。
实验步骤：
1、编写模块p96.c。
程序见pptprogram/mm/module_p96/p96.c
2编译模块
3在后台运行某个程序，如p95.c对应的可执行程序，程序见pptprogram/mm/p95.c。
然后把程序的PID号作为参数插入p96模块，使其读出程序的虚存区如蓝色框中的内容。
4 查看/proc文件系统3552进程对应的虚存映射，
#cd /proc
#cd 3552
#cat maps 可以看到模块输出的信息和/proc文件系统中所读取的信息是一致的。
实验二物理内存分配举例编写模块p113.c。
程序见pptprogram/mm/module_adress /p113.c pptprogram/mm/module_adress /Makefile
编译、插入模块后的结果为：
请同学自己范围内各自分配的地址范围。
linux 系统内存相关指令
在Linux系统中，有一些常用的命令可以用来查看和管理内存。
以下是一些常见的Linux内存相关指令：
1. free：显示系统内存使用情况和交换空间使用情况。
示例：`free -h`
2. top：实时显示系统进程和内存使用情况。
示例：`top`
3. vmstat：显示系统虚拟内存统计信息，包括内存使用情况、I/O等。
示例：`vmstat`
4. ps：显示系统进程状态，包括进程的内存使用情况。
示例：`ps aux`
5. pmap：显示进程的内存映射情况。
示例：`pmap <pid>`
6. smem：综合显示系统内存使用情况，包括物理内存、共享内存、缓存等。
示例：`smem -r`
7. sar：系统活动报告，包括CPU、内存、磁盘等性能信息。
示例：`sar -r`
8. top命令中按下"Shift+m"：按内存使用量排序显示进程列表。
示例：启动top命令后，按下Shift键再按m键。
这些命令可以帮助您了解系统当前的内存使用情况和进程的内存占用情况。
请注意，具体命令的参数和输出可能会因不同的Linux发行版和版本而有所不同。
您可以通过查阅相关文档或使用命令的帮助选项来获取更多详细信息。
Linux操作系统实验总结分析报告
Linux操作系统实验总结分析报告从系统的⾓度分析影响程序执⾏性能的因素1.Linux系统概念模型从全局的⾓度来看，Linux系统分为内核空间和⽤户空间，但毫⽆疑问内核空间是Linux系统的核⼼，因为内核负责管理整个系统的进程、内存、设备驱动程序、⽂件，决定着系统的性能和稳定性。
于是从这个⾓度我构建的Linux系统的概念模型如下图所⽰：此模型将Linux系统主要划分为四个模块：内存管理、进程管理、设备驱动程序、⽂件系统。
这四个部分也是⼀个操作系统最基本也是最重要的功能。
2.概念模型解析2.1 内存管理Linux系统采⽤虚拟内存管理技术，使得每个进程都有各⾃互不⼲涉的进程地址空间。
该空间是块⼤⼩为4G的线性虚拟空间，⽤户所看到和接触到的都是该虚拟地址，⽆法看到实际的物理内存地址。
利⽤这种虚拟地址不但能起到保护操作系统的效果（⽤户不能直接访问物理内存），⽽且更重要的是，⽤户程序可使⽤⽐实际物理内存更⼤的地址空间。
内存管理主要有分为如下⼏个功能：地址映射、虚拟地址管理、物理内存管理、内核空间管理、页⾯换⼊换出策略和⽤户空间内存管理，这些模块的架构图如下所⽰：2.2 进程管理进程管理是Linux系统⾮常重要的⼀部分，进程管理虽然不像内存管理、⽂件系统等模块那样复杂，但是它与其他⼏个模块的联系是⾮常紧密的。
进程管理主要包括进程的创建、切换、撤销和进程调度。
2.2.1 进程的创建、切换、撤销进程的创建：在Linux编程中，⼀般采⽤fork()函数来创建新的进程，当然，那是在⽤户空间的函数，它会调⽤内核中的clone()系统调⽤，由clone()函数继续调⽤do_fork()完成进程的创建。
整个进程创建过程可能涉及到如下函数：fork()/vfork()/_clone----------->clone()--------->do_fork()---------->copy_process()进程的切换：进程切换⼜称为任务切换、上下⽂切换。
实验九Linux内存
内核空间(所有进 程及内核共享)
永久内存映射区(4M)
动态内存映射区 (min 120M)
非连续区 vmalloc()
用户空间(对系统 其他进程不可见)
直接内存映射区 (max 896M)
0x00000000
0xC0000000
连续区 kmalloc()
3
1.2 Linux内存管理—虚拟内存的实现
❖ 释放原先申请的内存空间free()
释放内存后，不能再去访问被释放的内存空间 不能两次释放相同的指针 C语言中，malloc/free 需配套使用
10
实验九 Linux内存管理
❖ 预备知识
Linux内存管理 Linux内存分配 Linux内存回收
❖ 实验指导
内存信息的监视 内存的申请和释放
❖ 实验目的、内容
11
3.1 实验目的
❖ 掌握Linux虚拟内存管理的原理 ❖ 掌握Linux中动态内存操作函数的使用方法 ❖ 掌握Linux监测内存使用情况的方法
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3.2 实验内容
❖ 利用系统提供的内存操作函数进行内存的申请、使 用和释放
❖ 利用系统提供的内存操作函数进行内存的申请、调 整、使用和释放
Ioremap
实现已知物理地址到虚拟 地址的映射
适用于物理地址已知的场合， 如设备驱动
alloc_bootmem
在启动kernel时，预留一段 内存，内核看不见
小于理内存大小，内存管理
要求较高
6
1.3 Linux内存回收
❖ 堆内存：程序从堆中分配的、大小任意的、使用完 后必须显示释放的内存
❖ 堆内存的分配：malloc()、realloc () 、new () ❖ 对内存的回收：free () 、delete ()
linux内存分配机制
linux内存分配机制Linux操作系统的内存管理机制是指操作系统如何管理和分配系统的物理内存。
Linux使用虚拟内存管理机制来管理内存资源，以提供给应用程序更大的内存空间并保证系统的稳定性。
Linux的内存管理机制包括以下几个方面：1.虚拟内存管理：虚拟内存是一种将主存中的物理地址与应用程序中的虚拟地址进行映射的技术。
通过虚拟内存管理机制，Linux可以将应用程序需要的内存空间按需从硬盘加载到物理内存，以满足应用程序的要求。
这样，应用程序能够访问比物理内存更大的内存空间，并且不需要关心实际的物理内存地址。
2.页面调度和换入换出：Linux将内存按照固定大小的页面（通常为4KB）进行管理。
物理内存被分成多个页面框，每个页面框可以存放一个页面。
当应用程序需要更多内存时，Linux会将一部分不常用的页面从物理内存中换出到硬盘上的交换空间，以腾出空间给新的页面。
而当应用程序访问换出到硬盘的页面时，Linux会将其换入到物理内存中。
3.页表和地址映射：为了实现虚拟内存的管理，Linux使用页表来存储虚拟地址与物理地址之间的映射关系。
每个进程都有自己的页表，用于将进程的虚拟地址转换为物理地址。
Linux使用多级页表来管理大内存空间，以节省内存空间的开销。
4.内存分配算法：Linux通过伙伴系统进行内存的分配。
伙伴系统将整个物理内存按照2的幂次进行划分，并以块为单位进行分配。
当应用程序请求一定大小的内存时，Linux会查找并分配与请求大小最接近的2的幂次块。
如果没有找到合适的块，则会从较大的块中进行分割，直到找到合适的块。
5.内存回收和回收算法：Linux通过页面置换算法回收不再使用的内存页面，以便将其分配给其他进程。
常用的页面置换算法包括最近最少使用（LRU）算法和时钟置换算法。
Linux还通过SLAB分配器来回收和管理内核对象的内存。
总结起来，Linux的内存分配机制包括虚拟内存管理、页面调度和换入换出、页表和地址映射、内存分配算法以及内存回收和回收算法。
linux中内存优化的方法
linux中内存优化的方法如何在Linux系统中进行内存优化引言:在Linux系统中，内存管理是非常重要的一项任务，它直接影响着系统的性能和稳定性。
一个高效的内存管理策略可以提高系统的吞吐量，减少延迟，提高响应速度。
本文将介绍一些常用的方法和策略，帮助用户进行Linux系统的内存优化。
一、了解Linux内存管理机制在开始优化内存之前，我们需要了解Linux的内存管理机制。
Linux内核使用页面机制来管理内存，将物理内存划分为一个个大小相等的页面。
Linux使用页表来记录页面的使用情况，并采用虚拟内存管理技术将其与物理内存映射起来。
内核根据页面的使用情况来管理内存，包括页面分配、页面回收和页面交换等。
二、观察和分析内存使用情况在进行内存优化之前，我们需要了解当前系统的内存使用情况。
可以通过工具如top、free等来观察系统的内存占用情况。
在观察内存占用时，需要注意以下几个指标：总内存使用量、空闲内存量、缓存和缓冲区使用量、交换内存使用量等。
这些指标可以帮助我们判断系统是否存在内存不足或内存泄漏等问题。
三、优化内存分配策略Linux内存管理机制中的一项重要任务是内存分配。
优化内存分配策略可以使系统更加高效地利用内存资源。
以下是一些常用的内存分配优化策略：1. 预分配内存池：对于需要频繁分配和释放内存的应用程序，可以使用内存池技术进行优化。
通过预先分配一块连续的内存空间，应用程序可以直接从内存池中获取内存，而不需要频繁的内存分配和释放操作，从而提高效率。
2. 使用伙伴系统算法：Linux内存管理中使用伙伴系统算法来分配大块的内存页。
这个算法将可用内存分成不同的块，每个块的大小都是2的幂次方。
应用程序可以使用kmalloc函数来分配和释放这样的内存块，而不需要频繁地进行页表的更新操作。
3. 避免过度分页：在Linux中，过度分页会导致额外的开销，降低系统的性能。
可以通过合理设置分页大小来避免过度分页。
同时，可以使用Transparent Huge Pages（THP）来减少页表的数量，提高内存的访问效率。
实验8Linux的内存管理
内存管理的概念
内存管理的定义
内存管理是指操作系统对计算机内存 资源的分配、回收、保护和扩充等一 系列操作，以确保系统高效、稳定地 运行。
内存管理的目标
提高内存利用率，减少内存碎片，实 现多任务环境下的内存共享和保护， 以及提供虚拟内存等。
Linux内存管理的特点
分段和分页机制
Linux采用分段和分页机制来管理内存，将物理内 存划分为大小相等的页框，同时将进程地址空间 划分为多个段，每个段对应一个页表项，实现地 址空间的隔离和权限控制。
。
03 通过实验操作和观察，加深对Linux内存管理的 理解和认识。
实验环境
操作系统
Linux（建议使用Ubuntu或CentOS等常见发行版 ）
开发工具
GCC编译器、GDB调试器、Valgrind内存检测工 具等。
实验材料
一台配置有Linux操作系统的计算机，具备基本的 编程和调试能力。
02
Linux内存管理概述
VS
共享内存的实现方式
在Linux中，共享内存可以通过shmget() 、shmat()和shmdt()等系统调用来实现 。首先，使用shmget()函数创建一个共 享内存段；然后，使用shmat()函数将共 享内存段连接到当前进程的地址空间；最 后，使用shmdt()函数将共享内存段从当 前进程的地址空间中分离。
06
内存优化与性能提升
内存泄漏问题及其解决方案
内存泄漏定义
内存泄漏是指程序在申请内存后，未能正确释放，导致系统内存逐 渐耗尽的现象。
检测工具
使用Valgrind等内存检测工具，可以检测程序中的内存泄漏问题。
解决方案
及时释放不再使用的内存，避免不必要的内存申请，采用智能指针等 RAII技术来管理内存。
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1.2 Linux内存管理—虚拟内存的实现
内存分配和回收机制
请求页机制
地址映射机制
缓存和刷新机制
交换 机制
2 Linux内存分配
32位系统： 线性地址 31
22 21 12 11
0
页目录 页号 页偏移量
页目录
3号控制寄存器
…… …… ……
页表
物理 地址
物理页
64位系统：
❖ 利用free和vmstat命令观察主存分配结果及使用情况
128KB 适合需要频繁申请释放相同大 小内存块时使用
kmalloc
基于kmem_cache_alloc实现 128KB 最常见的分配方式，需要小于 页框大小的内存时使用
vmalloc
建立非连续物理内存到虚 拟地址的映射
物理不连续，适合需要大内存， 但对地址连续性没有要求的场 合
dma_alloc_coherent 基于_alloc_pages实现
页全局目录(PGD) 页上级目录(PUD) 页中间目录(PMD)
页表(PT)
…
…
…
…
物理块
1.2 Linux内存分配—常用的内存分配函数
函数名 _get_free_pages
分配原理 直接对页框进行操作
最大内存
其他
4MB 适用于分配较大量的连续物理 内存
kmem_cache_alloc 基于slab机制实现
malloc()：不能初始化所分配的内存空间 calloc()：初始化为零
❖ 释放原先申请的内存空间free()
释放内存后，不能再去访问被释放的内存空间 不能两次释放相同的指针 C语言中，malloc/free 需配套使用
实验九 Linux内存管理
❖ 预备知识
Linux内存管理 Linux内存分配 Linux内存回收
❖ 堆内存的分配：malloc()、realloc () 、new () ❖ 对内存的回收：free () 、delete ()
❖ 内存泄漏的堆积，会最终消耗尽系统所有的内存
使用kill命令回收内存 使用工具软件Memprof回收内存
实验九 Linux内存管理
❖ 预备知识
Linux内存管理 Linux内存分配 Linux内存回收
4MB 适用于DMA操作
Ioremap
实现已知物理地址到虚拟 地址的映射
适用于物理地址已知的场合， 如设备驱动
alloc_bootmem
在启动kernel时，预留一段 内存，内核看不见
小于物理内存大小，内存管理 要求较高
1.3 Linux内存回收
❖ 堆内存：程序从堆中分配的、大小任意的、使用完 后必须显示释放的内存
❖ 实验指导
内存信息的监视 内存的申请和释放
❖ 实验目的、内容
2.1 内存信息的监视
❖ 用free命令监控内存使用情况
❖ 用vmstat命令监视虚拟内存使用情况
2.2 内存的申请和释放
❖ 动态分配内存空间malloc()、calloc()
malloc()：一个参数，即要分配的内存空间大小 calloc()：两个参数，即元素数目和每个元素的大小
❖ 实验指导
内存信息的监视 内存的申请和释放
❖ 实验目的、内容
3.1 实验目的
❖ 掌握Linux虚拟内存管理的原理 ❖ 掌握Linux中动态内存操作函数的使用方法 ❖ 掌握Linux监测内存使用情况的方法
3.2 实验内容
❖ 利用系统提供的内存操作函数进行内存的申请、使 用和释放
❖ 利用系统提供的内存操作函数进行内存的申请、调 整、使用和释放