[Linux内核完全剖析]第五章Linux内核体系结构5.1-5.3总结 Linux内存空间分配

Linux内核是宏/单内核,分5个模块:进程调度模块、内存管理模块、文件系统模块、进程间通讯模块、网络接口模块。

三种地址概念:
虚拟地址(Virtual Address)、逻辑地址(Logical Address):是程序产生的。虚拟地址由段选择符和段内偏移两部分组成,段内偏移又称逻辑地址。需根据GDT和LDT进行分段变换才能进行下一步地址处理。x86可以索引2^14个段选择符,每个段最长2^32B,最大虚拟地址空间为2^46(64T)B。

线性地址(Linear Address):是虚拟地址到物理地址转化的中间层,是处理器可寻址的内存空间中的地址,由逻辑地址加上对应段基址得到。如未开启分页机制,就等于物理地址。x86中线性地址空间为4GB。

物理地址(Physical Address):是在CPU地址线和其他外部总线上的地址信号。

Linux0.11内核,限制了GDT最大表项为256个,其中2项空闲(NULL/syscall),2项系统使用(Kernel Code/Data),每个进程使用两项(LDT,TTS)。但系统定义了最大进程数是64个,每个进程逻辑地址范围是64M,在线性地址空间中的起始位置是64MB*进程号,全部进程使用的地址空间是64*64MB=4GB。每个进程的代码段和数据段是完全重叠的。其中进程0和进程1比较特殊,分别占用了线性地址0和64M开头的640K地址,进程0还处于内核区。进程2开始就占用128MB开始的64MB空间,依次类推。

Linux0.11内核中,head.s把内核代码段和数据段都初始化为从线性地址0开头的16MB空间,包括内核所有的代码、内核段表(GDT、IDT、TTS)、页目录表和内核二级页表、内核局部数据以及临时栈(将被用于进程0的用户栈)。其中内核使用了4个二级页表和4项页目录,把0-16MB的线性地址映射到物理空间,而且其物理空间等于线性空间。但如果物理内存不满16MB,那么线性地址就不会映射到超过物理大小的内存上去。

进程0:系统中第一个启动的进程,它的代码段和数据段均在内核中,长度为640K,占用线性和物理地址空间中中的0——640K-1的范围。使用的是内核中的页目录和页表(内核页表是用户可读写的),对应的TSS0也是事先设置好的,位于sched.c文件中,长度为104字节。

进程1:(init进程)的代码也在内核代码区中,但当使用fork()来创建它的时候申请了一页内存作为二级页表,并复制了父进程(进程0)的页目录项和页表。它占用了64M——128M-1(实际使用为64M——64M+640K-1的范围)的线性空间,并映射到0——640K-1的物理空间,跟进程0使用的范围一样,长度也是640K。系统还为init进程申请一页内存放置任务数据结构(包括TSS)和init进程的内核态栈。init进程的用户态栈共享了进程0的用户态堆栈。但在init进程执行时,其用户态堆栈对应页表项被设置位只读,这是系统会分配新的页面给其使用。

 

进程N:使用fork()从init进程产生其他进程时,其过程和从进程0 fork()出init进程基本一致(只有对应的线性空间不同)。然后调用execve()开始加载进程映像的时候,是释放掉从任务1复制的页目录和页表表项以及对应的内存页面,然后重新设置相关页目录和页表。分配给的内存并不是立即生效,而是在需要访问的时候引发缺页异常,系统才会真正的分配物理内存给进程,这被称为Load on demand策略。

 

用户申请内存:使用库函数malloc()申请内存时,malloc()函数内部会为用户维护一个内存使用表,由库函数自定义策略决定什么时候去系统申请内存,或者释放内存,以及申请和释放的数量。通常来讲如果用户请求分配内存,库函数先看自己库存的内存是否够用,不够用再去向系统申请一块恰当大小的内存(如页的整数倍);用户释放内存的时候库函数也不会立刻将其释放给操作系统,而是缓存起来,等待用户下次的分配请求,直到进程退出,才会把所有内存交还给系统。从系统中申请的内存同样遵守Load on demand策略,只有在用户去实际访问这块内存的时候,系统才会把物理内存映射到指定位置。

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2 Responses to [Linux内核完全剖析]第五章Linux内核体系结构5.1-5.3总结 Linux内存空间分配

  1. 写得好啊

    多多向你请教哦[e01]

    [e10][e10][e10]

  2. Fleurer says:

    好像malloc需要一个系统调用brk就可以实现!

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