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03 内存管理

一 虚拟内存

进程持有的虚拟地址会通过 CPU 芯片中的内存管理单元（MMU） 的映射关系，来转换变成物理地址。

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1.1 内存分段

  • 四个段：代码分段、数据分段、栈段、堆段
  • 分段机制下的虚拟地址由两部分组成，段选择因子（段号）和段内偏移量
  • 段表：段的基地址、界限、特权等级 问题：
  • 内存碎片（外部内存碎片）
  • 内存交换效率低

1.2 内存分段

  • Linux:4KB
  • 页表：存储在内存里的，CPU的内存管理单元MMU 负责将虚拟内存地址转换成物理地址
  • 缺页异常：
  • 内存碎片：无外部，有内部内存碎片
  • 页面置换：最近未被使用LRU，一次一个或几个页，内存交换的效率就相对比较高。
  • 分段机制下的虚拟地址由两部分：页号+页内偏移量
  • 页表:页表由虚拟页号对应物理页号,含物理页每页所在物理内存的基地址，
  • 简单分页的问题：32位--每个进程都有一个4MB内存存页表，那100个进程就是巨大的开销
  • 多级页表： 100 多万个「页表项」的单级页表再分页
    • 二级页表虚拟地址由：一级页表+二级页表+页内偏移组成
    • 为什么不会更大？程序一般不会使用大量空间，需要时才会创建对应的二级页表。
    • 64位已经发展到4级目录了
  • TLB快表(页表缓存)：程序是有局部性，把最常访问的几个页表项存储到访问速度更快的硬件（CPU）。
    • 是一种Cache，装在CPU里，和MMU交互
    • 命中率很高，CPU在寻址时，会先查TLB

1.3 段页式内存管理

  • 地址结构：段号、段内页号和页内位移
  • 内存：每一个程序一张段表，每个段又建立一张页表

1.4 Linux内存布局

  • 早期IntelCPU：（段+偏移）逻辑地址-段式内存管理->线性（虚拟）地址-页式内存管理->物理地址
  • Linux 系统中的每个段都是从 0 地址开始的整个 4GB 虚拟空间，屏蔽了处理器中的逻辑地址概念
  • Linux分内核空间和用户空间：
    • 进程在用户态时，只能访问用户空间内存；进入内核态后，才可以访问内核空间的内存；
    • 内核地址：每个进程都各自有独立的虚拟内存。但是每个虚拟内存中的内核地址，关联的都是相同的物理内存。切换到内核态后，就可以很方便地访问内核空间内存
    • 用户空间内存：从下到上
      • 保留区：非合法地址，比如无效指针的NULL指向这块
      • 代码段：二进制可执行代码+常量
      • 数据段：已初始化的静态变量+全局变量
      • BSS段：未初始化的~
      • 堆段：动态分配的内存，动态分配
      • 文件映射区（保留区）：动态库，共享内存，动态分配
      • 栈段

内存满了，发生什么（缺页中断过程）？

  • 内存分配过程：缺页中断，进程从用户态切换到内核态，内核的缺页中断函数会进行处理。缺页中断函数会做如下处理：
    • 查看有无空闲内存：有则直接分配物理内存，建立内部映射关系
    • 回收内存工作：没有则触发回收
      • 后台内存回收（异步）：
      • 直接内存回收：如果后台跟不上进程内存申请的速度，会同步并阻塞进程执行。
  • 如果回收后，仍然无法满足。则触发OOM机制（out of memory）
    • OOM：据算法选择一个占用物理内存较高的进程杀死，还不够久继续杀，直到释放足够的内存位置。
  • 内存紧张时，会自动进行回收。
    • 文件页：内核缓存磁盘数据和文件数据。（干净页）大部分都可以释放了，（脏页）要用再重新读取。被应用修改过还没写入磁盘的，那就写了再释放。
    • 匿名页：没有文件这样的载体。但是会用Swap机制写入磁盘等待再次读取，换入换出。
    • 页的回收倾向可以手动调控。
    • 页的回收算法LRU：两个链表：活跃和不活跃两个链表，优先回收不活跃的。

预读失效和缓存污染问题

  • 文件缓存：读取的文件会被存储在Page Cache中， 加速访问，大小有限。
  • 同样是LRU管理文件页

预读失效？ - 提前加载进来的页，并没有被访问，白读了。 - LRU前列却没读，还要等待淘汰地址，Cache命中率大大降低。、 - 解决：只有真正读的时候，再放到lru活跃链表里。

缓存污染： - 数据访问一次，就活跃头部了，之前的热点数据全部淘汰。后续不再读那就是缓存污染。

Linux LRU机制总结

活跃和不活跃链表： - 真正读了第二次，就到活跃头部。 - 活跃末尾被淘汰，降级为不活跃头部 - 不活跃降级才是淘汰。

虚拟内存管理

PCB:task_struct - pid - file_struct *files - mm_struct

每次创建会携带一个mm_struct(COW) - 共享：变成线程了。是否共享地址空间几乎是Linux进程和线程之间的本质区别。

内核线程和用户态线程的本质区别：就是内核线程没有相关的内存描述符 mm_struct，所以内核线程之间调度是不涉及地址空间切换的。

mm_struct内容： - task_size：定义用户态地址空间和内核态地址空间分界线。 - 进程虚拟内存空间：data、text、brk、stack的起始、args和env的起始、mmap的起始，以及根据权限区分的VMA区域，还有rbtree，mmap分配VMA存储到一颗RBTREE上 - 内核内存空间： - 直接映射区：直接映射到物理地址（不过还是走的页表）。存进程相关描述符，task_struct、mm_struct、vm_area_struct之类的。以及内核栈（容量小，固定） - 8M空洞 - vmalloc映射区：分配页 - 永久映射区：允许建立与物理高端内存的长期映射关系 - 固定映射区：有些模块需要使用虚拟内存并映射到指定的物理地址上，使用该地址的模块在初始化的时候，将这些固定分配的虚拟地址映射到指定的物理地址上去。 - 临时映射区：缓存页