对于没有启用物理地址扩展的32位系统,两级页表已经足够了。从本质上说Linux通过使“页上级目录”位和“页中间目录”位全为0,彻底取消了页上级目录和页中间目录字段。不过,页上级目录和页中间目录在指针序列中的位置被保留,以便同样的代码在32位系统和64位系统下都能使用。内核为页上级目录和页中间目录保留了一个位置,这是通过把它们的页目录项数设置为1,并把这两个目录项映射到页全局目录的一个合适的目录项而实现的。
在虚拟内存中,页表是个映射表的概念, 即从进程能理解的线性地址(linear address)映射到存储器上的物理地址(phisical address).
在 x86 系统中,内存管理中的分页机制是非常重要的,在Linux操作系统相关的各种书籍中,这部分内容也是重笔浓彩。
在用户的视角里,每个进程都有自己独立的地址空间,A进程的4GB和B进程4GB是完全独立不相关的,他们看到的都是操作系统虚拟出来的地址空间。但是呢,虚拟地址最终还是要落在实际内存的物理地址上进行操作的。操作系统就会通过页表的机制来实现进程的虚拟地址到物理地址的翻译工作。其中每一页的大小都是固定的。这一段我不想介绍的太过于详细,对这个概念不熟悉的同学回去翻一下操作系统的教材。
本文涉及的硬件平台是X86,如果是其他平台的话,如ARM,是会使用到MMU,但是没有使用到分段机制; 最近在学习Linux内核,读到《深入理解Linux内核》的内存寻址一章。原本以为自己对分段分页机制已经理解了,结果发现其实是一知半解。于是,查找了很多资料,最终理顺了内存寻址的知识。现在把我的理解记录下来,希望对内核学习者有一定帮助,也希望大家指出错误之处。
前面我们提到Linux内核仅使用了较少的分段机制,但是却对分页机制的依赖性很强,其使用一种适合32位和64位结构的通用分页模型,该模型使用四级分页机制,即
在介绍 HugePages 之前,我们先来回顾一下 Linux 下 虚拟内存 与 物理内存 之间的关系。
1)将内存看做缓存,内存中存储此时正在运行的数据,其他数据存到磁盘,当需要使用时再换入内存,内存不够时将不用的换出到磁盘。
http://bbs.chinaunix.net/thread-2083672-1-1.html
只针对32位的操作系统,设计一个二级页表,目的是构建一个简易的能跑起来的操作系统。对于4G的地址空间,每个页大小是4K,模仿Linux早期的做法,32位地址的前10位为页目录项,中间10位为页表,后面10位为偏移量。
之前写过一篇《CPU是如何访问内存的?》的文章,简单介绍了cpu访问内存的过程。有了之前的感性认识,这篇站在arm的角度再深度讲解一下,看完你会发现不理解arm原理就直接撸内核代码简直是耍流氓。
/* * linux/mm/memory.c * * Copyright (C) 1991, 1992, 1993, 1994 Linus Torvalds */ /* * demand-loading started 01.12.91 - seems it is high on the list of * things wanted, and it should be easy to implement. - Linus */ /* * Ok, demand-loading wa
通用操作系统,通常都会开启mmu来支持虚拟内存管理,而页表管理是在虚拟内存管理中尤为重要,本文主要以回答几个页表管理中关键性问题来解析Linux内核页表管理,看一看页表管理中那些鲜为人知的秘密。
进入了线程这部分内容,我们需要了解更多的知识,大体就是线程概念,线程与进程的区别和联系、线程控制、线程创建、线程终止、线程等待、线程分离、线程安全、线程同步,除此之外我们还得学习互斥量、条件变量、POSIX信号量以及读写锁,最后我们还会介绍一些关于多进程的设计模式比如单例模式等,然后还会了解一下线程池的概念!
大家在看内核代码时会经常看的以上术语,但在ARM的芯片手册中并没有用到这些术语,而是使用L1,L2,L3页表这种术语。
与硬件相关的代码全部放在 arch(architecture 一词的缩写,即体系结构相关)目录下。
操作系统用于处理内存访问异常的入口操作系统的核心任务是对系统资源的管理,而重中之重的是对CPU和内存的管理。为了使进程摆脱系统内存的制约,用户进程运行在虚拟内存之上,每个用户进程都拥有完整的虚拟地址空间,互不干涉。而实现虚拟内存的关键就在于建立虚拟地址(Virtual Address,VA)与物理地址(Physical Address,PA)之间的关系,因为无论如何数据终究要存储到物理内存中才能被记录下来。
基于前言中的内核配置,内核采用39位虚拟地址,因此可寻址范围为2^39 = 512G,采用(linux 默认为五级页表,另外还有PUD,P4D,由于本文只配置三级,其他两项不予罗列)3级页表结构,分别为:
熊军(老熊) 云和恩墨西区总经理 Oracle ACED,ACOUG核心会员 PC Server发展到今天,在性能方面有着长足的进步。64位的CPU在数年前都已经进入到寻常的家用PC之中,更别说是更高端的PC Server;在Intel和AMD两大处理器巨头的努力下,x86 CPU在处理能力上不断提升;同时随着制造工艺的发展,在PC Server上能够安装的内存容量也越来越大,现在随处可见数十G内存的PC Server。正是硬件的发展,使得PC Server的处理能力越来越强大,性能越来越高。而在稳定性
操作系统确实是比较难啃的一门课,至少我认为比计算机网络难太多了,但它的重要性就不用我多说了。
分段,是指将程序所需要的内存空间大小的虚拟空间,通过映射机制映射到某个物理地址空间(映射的操作由硬件完成)。分段映射机制解决了之前操作系统存在的两个问题:
注:本分类下文章大多整理自《深入分析linux内核源代码》一书,另有参考其他一些资料如《linux内核完全剖析》、《linux c 编程一站式学习》等,只是为了更好地理清系统编程和网络编程中的一些概念性问题,并没有深入地阅读分析源码,我也是草草翻过这本书,请有兴趣的朋友自己参考相关资料。此书出版较早,分析的版本为2.4.16,故出现的一些概念可能跟最新版本内核不同。
在x86系统中,为了能够更加充分、灵活的使用物理内存,把物理内存按照4KB的单位进行分页。
cgroup还有其他一些限制特性,如io,pid,hugetlb等,这些用处不多,参见Cgroupv1。下面介绍下与系统性能相关的io和hugepage,cgroup的io介绍参考Cgroup - Linux的IO资源隔离
对于32的操作系统来说,用于寻址的位数是32位,那么最多可以表示2的32次方大小的地址,也就是4G。
虚拟内存是实现分段和分页的关键所在,而分段和分页是操作系统管理内存的两个核心机制。
Linux内核中采用了一种同时适用于32位和64位系统的内存分页模型,对于32位系统来说,两级页表足够用了,而在x86_64系统中,用到了四级页表。四级页表分别为:
/* * linux/mm/memory.c * * (C) 1991 Linus Torvalds */ /* * demand-loading started 01.12.91 - seems it is high on the list of * things wanted, and it should be easy to implement. - Linus */ /* * Ok, demand-loading was easy, shared pages a littl
能否站在程序员的视角看来,程序分段存放在内存上的模样是连续的,但是站在物理内存视角看来,却是分页管理的呢?
本文介绍了地址空间和二级页表、Linux下的线程、线程的优缺点以及线程与进程的关系等概念。
如果采用可变分区进行管理,我们需要使用空闲分区表或者空闲分区链表的方式来记录当前内存中各个空闲分区块。
内存是计算机的重要资源,虽然今天大多数的服务对内存的需求都没有那么高,但是数据库以及 Hadoop 全家桶这些服务却是消耗内存的大户,它们在生产环境动辄占用 GB 和 TB 量级的内存来提升计算的速度,Linux 操作系统为了更好、更快地管理这些内存并降低开销引入了很多策略,我们今天要介绍的是 HugePages,也就是大页[^1]。
③ 引导内存分配器 : 页分配器 , 块分配器 , 不连续页分配器 , 连续内存分配器 , 每处理器内存分配器 ;
冯-诺依曼老爷子告诉过我们,算术逻辑单元和控制器单元组成的 CPU 负责进行运算以及程序流程的控制。运算所需要的指令和数据由 内存 来提供。
一、内存管理架构 二、虚拟地址空间布局架构 三、物理内存体系架构 四、内存结构 五、内存模型 六、虚拟地址和物理地址的转换 七、内存映射原理分析 一、内存管理架构 内存管理子系统架构可以分为:用户空间、内核空间及硬件部分3个层面,具体结构如下所示:1、用户空间:应用程序使用malloc()申请内存资源/free()释放内存资源。2、内核空间:内核总是驻留在内存中,是操作系统的一部分。内核空间为内核保留,不允许应用程序读写该区域的内容或直接调用内核代码定义的函数。3、硬件:处理器包含一个内存管理单元(Memo
在引入虚拟地址概念以后,程序员和CPU看到的都是虚拟地址。当CPU尝试去访问某个虚拟地址的时候,这时候硬件单元MMU就会将此虚拟地址转化为物理地址,然后CPU再去访问。
(外部)内存碎片是一个历史悠久的 Linux 内核编程问题,随着系统的运行,页面被分配给各种任务,随着时间的推移内存会逐步碎片化,最终正常运行时间较长的繁忙系统可能只有很少的物理页面是连续的。由于 Linux 内核支持虚拟内存管理,物理内存碎片通常不是问题,因为在页表的帮助下,物理上分散的内存在虚拟地址空间仍然是连续的 (除非使用大页),但对于需要从内核线性映射区分配连续物理内存的需求来说就会变的非常困难,比如通过块分配器分配结构体对象 (在内核态很常见且频繁的操作),或对不支持 scatter/gather 模式的 DMA 缓冲器的操作等,会引起频繁的直接内存回收/规整,导致系统性能出现较大的波动,或分配失败 (在慢速内存分配路径会根据页面分配标志位执行不同的操作)。
Linux的内存管理可谓是学好Linux的必经之路,也是Linux的关键知识点,有人说打通了内存管理的知识,也就打通了Linux的任督二脉,这一点不夸张。有人问网上有很多Linux内存管理的内容,为什么还要看你这一篇,这正是我写此文的原因,网上碎片化的相关知识点大都是东拼西凑,先不说正确性与否,就连基本的逻辑都没有搞清楚,我可以负责任的说Linux内存管理只需要看此文一篇就可以让你入Linux内核的大门,省去你东找西找的时间,让你形成内存管理知识的闭环。
在前面两篇介绍 mmap 的文章中,笔者分别从原理角度以及源码实现角度带着大家深入到内核世界深度揭秘了 mmap 内存映射的本质。从整个 mmap 映射的过程可以看出,内核只是在进程的虚拟地址空间中寻找出一段空闲的虚拟内存区域 vma 然后分配给本次映射而已。
也就是我们实际中编码时遇到的内存地址并不是对应于实际内存上的地址,我们编码中使用的地址是一个逻辑地址,会通过分段和分页这两个机制把它转为物理地址。而由于linux使用的分段机制有限,可以认为,linux下的逻辑地址=线性地址。也就是,我们编码使用的是线性地址,之后只需要经过一个分页机制就可以把这个地址转为物理地址了。所以我们更重要的可能是去说明一下linux的分页模型。
传统的存储设备例如HDD,SSD,nvme,SAN LUNS等以blocks为单位提供存储功能。Block以字节为单位的可寻址存储单元。传统的硬盘的block大小是512字节。Newer设备通常是4K或者8K,但也可以选择逻辑/模拟的512字节的block。
原文:What every programmer should know about memory, Part 3: Virtual Memory
本文旨在深入探讨Linux操作系统的虚拟内存管理机制。我们将从基本概念开始,逐步深入到内核级别的实现细节。为了达到这个目标,本文将结合理论讨论和实际的代码分析。我们希望通过这种方式,使读者对Linux虚拟内存管理有更深入的理解。
基于ARMv8-A架构的处理器最大可以支持到48根地址线,也就是寻址2的48次方的虚拟地址空间,即虚拟地址空间范围为0x0000_0000_0000_0000~0x0000_FFFF_FFFF_FFFF,共256TB。
Linux操作系统概述 Q1.什么是GNU?Linux与GNU有什么关系? A: 1)GNU是GNU is Not Unix的递归缩写,是自由软件基金会(Free Software Foundation,FSF)的一个项目,该项目已经开发了许多高质量的编程工具,包括emacs编辑器、著名的GNU C和C++编译器(gcc和g++); 2)Linux的开发使用了许多GNU工具,Linux系统上用于实现POSIX.2标准的工具几乎都是由GNU项目开发的;Linux内核、GNU工具以及其它一些自由软件组成
摘 要:本文通过解剖Linux操作系统的虚拟存储管理机制,说明了Linux虚拟存储的特点、虚拟存储器的实现方法,并基于Linux Kernel Source 1.0,详细分析有关虚拟存诸管理的主要数据结构之间的关系。
在学习多线程之前,我们先来了解一些背景知识,我们需要这些背景知识来辅助我们理解多线程!
什么是线程呢?下面我们直接说定义,再理解。线程就是进程内的一个执行分支,线程的执行粒度要比进程细。
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