初探linux内存管理

　在 Linux 中，用户内存和内核内存是独立的，在各自的地址空间实现。地址空间是虚拟的，就是说地址是从物理内存中抽象出来的（通过一个简短描述的过程）。由于地址空间是虚拟的，所以可以存在很多。事实上，内核本身驻留在一个地址空间中，每个进程驻留在自己的地址空间。这些地址空间由虚拟内存地址组成，允许一些带有独立地址空间的进程指向一个相对较小的物理地址空间（在机器的物理内存中）。不仅仅是方便，而且更安全。因为每个地址空间是独立且隔离的，因此很安全。

　　但是与安全性相关联的成本很高。因为每个进程（和内核）会有相同地址指向不同的物理内存区域，不可能立即共享内存。幸运的是，有一些解决方案。用户进程可以通过POSIX共享的内存机制（shmem）共享内存，但有一点要说明，每个进程可能有一个指向相同物理内存区域的不同虚拟地址。

　　虚拟内存到物理内存的映射通过页表完成，这是在底层软件中实现的（见图 1）。硬件本身提供映射，但是内核管理表及其配置。注意这里的显示，进程可能有一个大的地址空间，但是很少见，就是说小的地址空间的区域（页面）通过页表指向物理内存。这允许进程仅为随时需要的网页指定大的地址空间。

图 1. 页表提供从虚拟地址到物理地址的映射 

于缺乏为进程定义内存的能力，底层物理内存被过度使用。通过一个称为 paging（然而，在 Linux 中通常称为 swap）的进程，很少使用的页面将自动移到一个速度较慢的存储设备（比如磁盘），来容纳需要被访问的其它页面（见图 2 ）。这一行为允许，在将很少使用的页面迁移到磁盘来提高物理内存使用的同时，计算机中的物理内存为应用程序更容易需要的页面提供服务。注意，一些页面可以指向文件，在这种情况下，如果页面是脏（dirty）的，数据将被冲洗，如果页面是干净的（clean），直接丢掉。

图 2. 通过将很少使用的页面迁移到速度慢且便宜的存储器，交换使物理内存空间得到了更好的利用 

不是所有的处理器都有 MMU。因此，uClinux 发行版（微控制器 Linux）支持操作的一个地址空间。该架构缺乏 MMU 提供的保护，但是允许 Linux 运行另一类处理器。

　　选择一个页面来交换存储的过程被称为一个页面置换算法，可以通过使用许多算法（至少是最近使用的）来实现。该进程在请求存储位置时发生，存储位置的页面不在存储器中（在存储器管理单元 [MMU] 中无映射）。这个事件被称为一个页面错误 并被硬件（MMU）删除，出现页面错误中断后该事件由防火墙管理。该栈的详细说明见 图 3。

　　Linux 提供一个有趣的交换实现，该实现提供许多有用的特性。Linux 交换系统允许创建和使用多个交换分区和优先权，这支持存储设备上的交换层次结构，这些存储设备提供不同的性能参数（例如，固态磁盘 [SSD] 上的一级交换和速度较慢的存储设备上的较大的二级交换）。为 SSD 交换附加一个更高的优先级使其可以使用直至耗尽；直到那时，页面才能被写入优先级较低的交换分区。

图 3. 地址空间和虚拟 - 物理地址映射的元素 

并不是所有的页面都适合交换。考虑到响应中断的内核代码或者管理页表和交换逻辑的代码，显然，这些页面决不能被换出，因此它们是固定的，或者是永久地驻留在内存中。尽管内核页面不需要进行交换，然而用户页面需要，但是它们可以被固定，通过 mlock（或 mlockall）函数来锁定页面。这就是用户空间内存访问函数的目的。如果内核假设一个用户传递的地址是有效的且是可访问的，最终可能会出现内核严重错误（kernel panic）（例如，因为用户页面被换出，而导致内核中的页面错误）。该应用程序编程接口（API）确保这些边界情况被妥善处理。

　在用户空间，注意，由于用户进程出现在单独的地址空间，在它们之间移动数据必须经过某种进程间通信机制。Linux 提供各种模式（比如，消息队列），但是最着名的是 POSIX 共享内存（shmem）。该机制允许进程创建一个内存区域，然后同一个或多个进程共享该区域。注意，每个进程可能在其各自的地址空间中映射共享内存区域到不同地址。因此需要相对的寻址偏移（offset addressing）。

　　mmap 函数允许一个用户空间应用程序在虚拟地址空间中创建一个映射，该功能在某个设备驱动程序类中是常见的，允许将物理设备内存映射到进程的虚拟地址空间。在一个驱动程序中，mmap 函数通过 remap_pfn_range 内核函数实现，它提供设备内存到用户地址空间的线性映射。