linux教程第08课_内存与设备管理

Linux 内存管理

一、调试技术

printk() ：表示日志级别的宏会展开为一个字符串，在编译时由预处理器将它和消息文本拼接在一起，这就是为什么printk()中优先级和格式字符串间没有逗号的原因。

二、内核空间内存动态申请

在 Linux 内核空间申请内存涉及的函数主要包括 kmalloc()、_ _get_free_pages()和

vmalloc()等。

vmalloc:

物理非连续，非线性映射

一般地，kmalloc用于在内核空间3GB~3GB+high_memory区间（即物理内存区）申请内存

kmalloc:

物理连续，线性映射

一般地，vmalloc用于在VMALLOC_START~4GB区间的内核空间申请内存（如虚拟内存分配区）

Void *kamlloc(size_t size ,int flags);

Size参数：

Kmalloc能处理的最小的内存块是32或64，到底是哪个则取决于当前体系结构使用的页面的大小。对kmalloc能够分配的内存块大小，存在一个上限，这个限制随休系构架的不同以及内核的配置选项的不同而变化。如果我们希望代码有完整的可移植性则不应该公配大于128KB的内存。

Flags :

GFP_KERNEL 内核内存通常的分配方法，可能引起休眠。

GFP——KERNEL 分配标志并不是始终适用，有时kmalloc是在进程上下文之外被调用的，例如在中断处理例程、tasklet 以及内核定时器中调用。这种情况下current 进程不应该进入休眠，驱动程序则应该用GFP_ATOMIC标志。

三、内存区段

Linux内核把内存分为三个区段：可用于DMA的内存、常规内存以及高端内存。

四、后备高速缓存

Slab分配器实现的高速缓存具有kmem_cache_t类型。

Kmem_cache_t *kmem_cache_create(const char *name ,size_t size,

Linux内存管理分解

第 1 页共 14 页 Linux内存管理

福州大学刘延华

本文介绍内存管理方面的内容，如虚拟内存的抽象模型和共享、按需调入页面、页面交换等。

1.1 内存管理的作用 .................................................................................................................................................... 2

1.2 虚拟内存的抽象模型 ............................................................................................................................................ 3

1.3 按需装入页面 ........................................................................................................................................................ 4

1.4 交换 ........................................................................................................................................................................ 6

1.5 共享虚拟内存 ........................................................................................................................................................ 6

Linux内存管理详解

13.内存管理

13.1.引言

linux对物理内存的叙述机制存有两种：uma和numa。linux把物理内存分割为三个层次去管理：存储节点（node）、管理区（zone）和页面（page）。uma对应一致存储结构，它只须要一个node就可以叙述当前系统中的物理内存，但是numa的发生超越了这种平淡，此时须要多个node，它们被统一定义为一个名叫discontig_node_data的数组。为了和uma相容，就将叙述uma存储结构的描述符contig_page_data放在该数组的第一个元素中。内核布局选项

config_numa决定了当前系统是否支持numa机制。此时无论uma还是numa，它们都是对应到一个类型为pg_data_t的数组中，便于统一管理。图71.nodezone和page的关系

上图叙述linux管理物理内存的三个层次之间的流形关系。从图中可以窥见一个存储节点由pg_data_t叙述，一个uma系统中只有一个node，而在numa中则可以存有多个node。它由config_nodes_shift布局选项同意，它就是config_numa的子选项，所以只有布局了config_numa，该选项才起至促进作用。uma情况下，nodes_shift被定义为0，max_numnodes也即为为1。include/linux/numa.h

#ifdefconfig_nodes_shift

#definenodes_shiftconfig_nodes_shift#else

#definenodes_shift0#endif

#definemax_numnodes(1<

structpglist_data__refdatacontig_page_data={.bdata=&bootmem_node_data[0]};

Linux_内存管理

1

1.Linux内存管理--基本概念

1. Linux物理内存三级架构

对于内存管理，Linux采用了与具体体系架构不相关的设计模型，实现了良好的可伸缩性。它主要由内存节点node、内存区域zone和物理页框page三级架构组成。

• 内存节点node

内存节点node是计算机系统中对物理内存的一种描述方法，一个总线主设备访问位于同一个节点中的任意内存单元所花的代价相同，而访问任意两个不同节点中的内存单元所花的代价不同。在一致存储结构(Uniform Memory Architecture，简称UMA)计算机系统中只有一个节点，而在非一致性存储结构(NUMA)计算机系统中有多个节点。Linux内核中使用数据结构pg_data_t来表示内存节点node。如常用的ARM架构为UMA架构。

• 内存区域zone

内存区域位于同一个内存节点之内，由于各种原因它们的用途和使用方法并不一样。如基于IA32体系结构的个人计算机系统中，由于历史原因使得ISA设备只能使用最低16MB来进行DMA传输。又如，由于Linux内核采用

• 物理页框page

2. Linux虚拟内存三级页表

Linux虚拟内存三级管理由以下三级组成：

• PGD: Page Global Directory (页目录)

• PMD: Page Middle Directory (页目录)

• PTE: Page Table Entry (页表项)

每一级有以下三个关键描述宏：

• SHIFT

• SIZE 2

• MASK

如页的对应描述为：

[cpp]

view plaincopy

/* PAGE_SHIFT determines the page size asm/page.h */

Linux 内存管理导读

1. 存储层次结构和x86存储管理硬件（MMU）

1.1存储层次

高速缓存(cache) à 主存(main memory) à 磁盘(disk) 理解存储层次结构的根源：CPU速度和存储器速度的差距。

层次结构可行的原因：局部性原理。

LINUX的任务: l 减小footprint，提高cache命中率，充分利用局部性。

l 实现虚拟存储以满足进程的需求，有效地管理内存分配，力求最合理地利

用有限的资源。

1.2 MMU的作用

辅助操作系统进行内存管理，提供虚实地址转换等硬件支持。

1.3 x86的地址

逻辑地址：出现在机器指令中，用来制定操作数的地址。段：偏移

线性地址：逻辑地址经过分段单元处理后(如将段地址左移四位与偏移量）得到线性地址，这是一个32位的无符号整数，可用于定位4G个存储单元。

物理地址：线性地址经过页表查找后得出物理地址，这个地址将被送到地址总线上指

示所要访问的物理内存单元。

LINUX: 尽量避免使用段功能以提高可移植性。如通过使用基址为0的段，

使逻辑地址==线性地址。

1.4 x86的段与Linux下的段比较

x86保护模式下的段：表索引+描述符项。不仅仅是一个基地址的原因是为了提供更多的信息：保护、长度限制、类型等。描述符项存放在一张表中(GDT或LDT)，表

索引就是表的索引。段寄存器中存放的是表索引，在段寄存器装入的同时，描述符中的数据被装入一个不可见的寄存器以便cpu快速访问。

专用寄存器：GDTR(包含全局描述附表的首地址),

LDTR（当前进程的段描述附表首地址）,

TSR（指向当前进程的任务状态段）

LINUX使用的四种段： __KERNEL_CS：内核代码段。范围 0-4G。可读、执行。DPL=0。

__KERNEL_DS：内核代码段。范围 0-4G。可读、写。DPL=0。

__USER_CS：内核代码段。范围 0-4G。可读、执行。DPL=3。

Linux的内存管理

Linux作为一款被广泛使用的操作系统，其内存管理机制也备受关注。本文将从内存管理的基本原理、内存分配、内存释放、内存映射、虚拟内存等方面来探究Linux内存管理的关键特点。

一、基本原理

内存是计算机中非常重要的资源，它存储了正在运行的程序和数据。内存分为物理内存和虚拟内存两部分。物理内存指的是实际存在于计算机内部的存储设备，而虚拟内存是对物理内存的逻辑映射，一个进程可以通过虚拟地址来访问相应的内存空间。Linux操作系统将物理内存划分成若干个页面，每个页面的大小通常为4KB、2MB或1GB，所有的进程都共享同一物理内存，但每个进程可以独立使用自己的虚拟地址空间。

二、内存分配

在Linux中，内存分配主要有两种方式：一种是由进程自己动态分配内存，另一种是由内核动态分配内存。

1、进程自己动态分配内存

进程可以通过系统调用函数malloc、calloc和realloc等动态分配内存，这些函数都属于C语言的标准库函数，用户可以直接调用。

2、内核动态分配内存

对于需要在内核层分配内存的情况，Linux提供了kmalloc函数来进行分配。这种方式下，内核先尝试从自己的内存池中申请内存，如果内存池中没有足够的内存，内核将会向物理内存池请求分配内存。

三、内存释放

内存释放通常有两种方式：一种是由进程自己释放已经分配的内存，另一种是由内核自动释放不需要的内存。

1、进程自己释放已经分配的内存

进程可以通过free函数将之前分配的内存释放掉，如果进程已经使用完了分配的内存，应该立即将其释放，以免内存泄漏。

2、内核自动释放不需要的内存

当进程不再需要某些内存时，内核将自动将该内存释放。内核主要通过虚拟内存机制来实现自动分配和释放内存。

四、内存映射

内存映射是将文件映射到内存中的一种技术，当有多个进程同时访问同一个文件时，内存映射可以加快文件的读写速度。在Linux中，内存映射使用mmap函数进行操作。

Linux内存管理

一为什么需要使用虚拟内存

大家都知道，进程需要使用的代码和数据都放在内存中，比放在外存中要快很多。问题是内存空间太小了，不能满足进程的需求，而且现在都是多进程，情况更加糟糕。所以提出了虚拟内存，使得每个进程用于3G的独立用户内存空间和共享的1G内核内存空间。（每个进程都有自己的页表，才使得3G用户空间的独立）这样进程运行的速度必然很快了。而且虚拟内存机制还解决了内存碎片和内存不连续的问题。为什么可以在有限的物理内存上达到这样的效果呢？

二虚拟内存的实现机制

首先呢，提一个概念，交换空间（swap space），这个大家应该不陌生，在重装系统的时候，会让你选择磁盘分区，就比如说一个硬盘分几个部分去管理。其中就会分一部分磁盘空间用作交换，叫做swap space。其实就是一段临时存储空间，内存不够用的时候就用它了，虽然它也在磁盘中，但省去了很多的查找时间啊。当发生进程切换的时候，内存与交换空间就要发生数据交换一满足需求。所以啊，进程的切换消耗是很大的，这也说明了为什么自旋锁比信号量效率高的原因。

那么我们的程序里申请的内存的时候，linux内核其实只分配一个虚拟内存（线性地址），并没有分配实际的物理内存。只有当程序真正使用这块内存时，才会分配物理内存。这就叫做延迟分配和请页机制。释放内存时，先释放线性区对应的物理内存，然后释放线性区；"请页机制"将物理内存的分配延后了，这样是充分利用了程序的局部性原来，节约内存空间，提高系统吞吐；就是说一个函数可能只在物理内存中呆了一会，用完了就被清除出去了，虽然在虚拟地址空间还在。（不过虚拟地址空间不是事实上的存储，所以只能说这个函数占据了一段虚拟地址空间，当你访问这段地址时，就会产生缺页处理，从交换区把对应的代码搬到物理内存上来）

三物理内存与虚拟内存的布局

左边是物理地址分配，与实际的CPU相关。4KB的这些都是一些控制器所占有，比如lcdc

linux内存的管理机制

摘要：

1.Linux内存管理机制简介

2.虚拟内存与物理内存的映射

3.内存分配策略

4.内存回收机制

5.内存碎片整理

6.总结

正文：

Linux内存管理机制是操作系统中至关重要的一部分，它负责处理物理内存的分配、回收和优化。本文将为您详细介绍Linux内存管理机制的各个方面。

1.Linux内存管理机制简介

Linux内存管理机制主要包括虚拟内存、物理内存以及它们之间的映射。虚拟内存是一种抽象的概念，它为每个进程提供了一定大小的连续内存空间。物理内存则是实际存在的内存资源。虚拟内存和物理内存之间的映射由内存管理单元（MMU）完成。

2.虚拟内存与物理内存的映射

虚拟内存和物理内存之间的映射关系由页表（Page Table）维护。页表包含一个虚拟地址到物理地址的映射项，用于描述虚拟内存中的一个页面在物理内存中的具体位置。虚拟地址空间包括代码段、数据段、堆和栈等，而物理内存则包括内存页框（Page Frame）。

3.内存分配策略

Linux内存分配策略采用基于伙伴算法的内存分配器（Memory

Allocator）。伙伴算法将内存页框分为不同大小的小块，并按照一定的规则进行组织。当进程请求内存时，分配器会根据请求大小选择合适的内存块进行分配。释放内存时，分配器会将内存块回收并放回伙伴系统，以便后续分配。

4.内存回收机制

Linux内存回收机制主要依赖于页面回收（Page Reclaiming）和内存压缩（Compaction）技术。页面回收通过查找并回收不再使用的页面来回收内存。内存压缩则是在物理内存紧张时，将多个小块内存合并成一个更大的内存块，以减少碎片。

5.内存碎片整理

内存碎片整理是指对内存中的小块进行重新组织，以提高内存利用率。Linux提供了内存整理器（Memory Organizer），用于定期对内存进行碎片整理。内存整理器会检测内存中的碎片，并尝试重新组织内存块，以便为新的内存请求提供更大的连续空间。

Linux-内存管理

计算机操作系统课程小论文

Linux内存管理机制

&

姓名：汪青松

班级:10网络工程1班

…

学号：10

Linux内存管理机制

班级：10级网络工程1班姓名：汪青松学号：10

一、概述

现代操作系统允许多个程序同时运行，因此，内存中需要同时存放这些程序，操作系统采用的存储管理方案有分区存储管理、分页式存储管理、分段式存储管理和段页式存储管理。

在Linux平台上，多任务运行是不可或缺的，在合理的进程调度算法控制下还得合理的管理内存机制，除了在物理内存的支持下，Linux还得借助虚拟内存等来容纳更多的程序运行，没有足够的内存空间来供程序运行，机器则会出现假死机、服务异常等问题，如果Linux虽然可以在一段时间内自行恢复，但是恢复后的系统已经基本不可用了。因此，合理规划和设计Linux内存的使用，是非常重要的。

二、 Linux下内存管理框架

在Linux中对于内存的管理涉及到：页面管理、连续内存区管理和非连续存储区管理，而对于内存管理的方式通常为直接使用、使用slab分配器和使用非连续的存储区。其

Linux采用页作为内存管理的基本单位，其采用的标准的页面大小为4KB，采用三次映射机制实现从线性地址到物理地址的映射。Linux内核使用页描述符来跟踪和管理物理内存，每个物理页面都用一个页描述符表示，页描述符用struct

page 的结构描述，所有物理页面的描述符组织在men_map数组中，page则是对物理页面描述的一个数据结构Linux采用buddy算法来解决内存的碎片问题。

三、 Linux对虚拟内存的管理

在Linux中经常发现空闲内存很少，似乎所有的内存都被系统占用了，表面感觉是内存不够用了，其实不然。这是Linux内存管理的一个优秀特性，在这方

面，区别于Windows的内存管理。主要特点是，无论物理内存有多大，Linux 都将其充份利用，将一些程序调用过的硬盘数据读入内存，利用内存读写的高速特性来提高Linux系统的数据访问性能。而Windows 是只在需要内存时，才为应用程序分配内存，并不能充分利用大容量的内存空间。换句话说，每增加一些物理内存，Linux 都将能充分利用起来，发挥了硬件投资带来的好处，而Windows只将其做为摆设，即使增加8GB甚至更大。Linux 的这一特性，主要是利用空闲的物理内存，划分出一部份空间，做为cache 和 buffers ，以此提高数据访问性能。从而引出物理内存的特性。

第8章 linux内存

2325208.doc

- - 108 第8章内存

内存是内核所管理的最重要的资源之一。某进程区别于其它进程的一个特征是两个进程存在于逻辑上相互独立的内存空间（与之相反，线程共享内存）。即使进程都是同一程序的实例，比如，两个xterm或两个Emacse，内核都会为每个进程安排内存空间，使得它们看起来像是在系统之上运行的唯一进程。当一个进程不可能偶然或恶意的修改其它进程的执行空间时，系统的安全性和稳定性就会得到增强。

内核也生存在它自己的内存空间之中，即内核空间（kernel space）。与之对应的是用户空间（user space），它是所有非内核任务所处的内存空间的一个通用术语。

虚拟内存

计算机系统包括不同级别的存储器。图8-1说明了这些存储器中最重要的几项，并且以我自己原有的Linux机器（Linux box）为例标注了一些参数的估计值。当你从左向右观察该图时，会发现存储器容量越来越大而速度却越来越慢（而且每字节价格也会更低）。尤其令人注意的是，访问速度跨越了3个数量级（乘数因子为1000），而容量竟跨越了超过8个数量级（乘数因子为312500000）。（实际上有时速度的差异是可以被掩盖的，不过这些数字足以很好的说明这一部分讨论的目的。）最大的差距体现在最后两个：RAM和磁盘上，它们又分别可被称作主存和辅存。

额外附加的存储器空间总是十分诱人的，即使它们也很慢。如果在RAM被用完时，通过暂时把不用的代码和数据转移到磁盘上以腾出更多空间的方法来使用磁盘代替RAM的话，那将是很好的一件事情。正如读者可能已经知道的，Linux恰好能够做到这一点，这被称之为虚拟内存（virtual memory）。

虚拟内存是一种对RAM和磁盘（或称之为：主存和辅存）进行无缝混合访问的技术。所有这些（虚拟）内存对于应用程序来说就好像它真的存在一样。当然我们知道它并非真的内存，这正是为什么它被称为是“虚拟的”，但是多亏了内核使得应用程序无法分辨出它们的区别。对于应用程序来说，就好像真的有很大数量的RAM，只不过有时候比较慢而已。