2022-03-18

Linux性能优化实战之内存映射原理

大家好，Linux内核给每个进程都提供了一个独立的虚拟空间，并且这个地址空间是连续的。这样，进程就可以很方便地访问内存，更确切地说是访问虚拟内存。

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虚拟地址空间的内部又被分为内核空间和用户空间两部分，不同字长（也就是单个CPU指令可以处理数据的最大长度）的处理器，地址空间的范围也不同。比如常见的32位和64位系统

32位系统的内核空间占用1G，位于最高处，剩下的3G是用户空间

64位系统的内核空间和用户空间都是128T，分别占据整个内存空间的最高处和最低处，剩下的中间部分是未定义的。

进程在用户态时，只能访问用户空间内存；只有进入内核态后，才可以访问内核空间内存。虽然每个进程的地址空间都包含了内核空间，但这些内核空间其实关联的都是相同的物理内存。这样，进程切换到内核态后，就可以很方便地访问内核空间内存。既然每个进程都有一个这么大的地址空间，那么所有的虚拟内存加起来，自然要比实际的物理内存大很多。所以，并不是所有的虚拟内存都会分配物理内存，只有那些实际使用的虚拟内存才分配物理内存，并且分配后的物理内存，是通过内存映射来管理的。

　　内存映射，其实就是将虚拟内存地址映射到物理内存地址。为了完成内存映射，内核为每个进程都维护了一张页表，记录虚拟地址与物理地址的映射关系：

 　　页表实际上存储在CPU的内存管理单元MMU中，正常情况下，处理器就可以直接通过硬件找出访问的内存。而当进程访问的内存地址在页表中查不到时，系统会产生一个缺页异常，进入内核空间分配物理内存、更新进程页表，最后在返回用户空间，恢复进程的运行。

　　TLB（Translation Lookaside Buffer，后备缓冲器）会影响CPU的内存访问性能：TLB其实就是MMU中页表的高速缓存。由于进程的虚拟地址空间是独立的，而TLB的访问速度又比MMU快很多，所以，通过减少上下文切换，减少TLB的刷新次数，就可以提高TLB缓存的使用率，进而提高CPU的内存访问性能。

　　MMU规定了一个内存映射的最小单位，也就是页，通常是4KB。每次内存映射，都需要关联4KB或者4KB整数倍的内存空间。由于页的大小只有4KB，导致的整个页表会变的非常大。例如：32位系统就需要100多万个页表项（4GB/4KB），才可以实现整个地址空间的映射。为了解决页表项过多的问题，Linux提供了两种机制：多级页表 和 大页（HugePage）

多级页表：把整个内存分成区块来管理，将原来的映射关系改成区块索引和区块内的偏移。由于虚拟内存空间通常只用了很少一部分，那么多级页表就只保存这些使用中的区块，这样就可以大大减少页表的选项。Linux用的正是四级页表来管理内存页，如图，虚拟地址被分为5个部分，前4个表项用于选择页，最后一个索引表示页内偏移。

大页：顾名思义就是比普通也更大的内存块，常见的大小有2MB和1GB。大页通常用在使用大量内存的进程上，比如Oracle、DPDK等。