Linux内核探讨-- 第七章

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      第七章--内存管理

      Linux内核中的内存管理是比较难实现的地方，因为，它不像在用户空间中有内核给它提供内存的保护机制。它自己就是内核，它需要内存了，只有它自己去控制，没有什么系统可以为它提供保护。稍微不注意，可能就会出现问题，好一点的情况就是系统崩溃，差的情况可能就是导致数据丢失了。而且，在前面几章的叙述中，我们知道内核在做一些事的时候是不能睡眠的，这样会导致效率的急剧降低。所以，理解内核中的内存分配管理是很有必要的。

      1.页

      页是Linux内核中对内存管理中抽象的一种概念，它是虚拟地址的基础。虽然处理器对内存的处理最小单元是字或者是字节，但是，理解页的概念仍是学好内存管理的基础。首先，贴出页的结构：

struct page {
struct list_head list;
struct address_space *mapping;
unsigned long index;
struct page *next_hash;
atomic_t count;
unsigned long flags;
struct list_head lru;
unsigned long age;
wait_queue_head_t wait;
struct page **pprev_hash;
struct buffer_head * buffers;
void *virtual; 
struct zone_struct *zone;
}

      下面我对这个结构中比较重要的字段进行简单的介绍（红色字标记）。

1.1 list：指向页的链表的头

1.2 mapping：虚拟地址映射到物理地址的指针

1.3 count：页的引用计数，往往一个页不止是一个进程在使用

1.4 flags：标记页的状态，比如页是否为脏

1.5 lru：对应于lru算法，最近最少使用的页链表的头，用于内存不足时回收时使用

1.6 virtual：页的虚拟地址

1.7 zone：页属于哪个区（下文中会有介绍）

      系统中属于内存的每个页都对应着这样一个页结构用于对页的管理。

      2.区

      由于硬件的限制，内核不能够对内存中所有的页一视同仁。所以，内核把特性相似的页划分为同一个区。这里介绍主要的划分区的方法，把内存划分为三个区：

2.1 DMA ：这个区中的页位于内存开始处 ，一般的划分是 0--16M，这个区中的页可以用来进行DMA操作，当然，它也可以当做是普通的页来使用

2.2 NORMAL ：这个区中的页是内核占据的地方，内核一般会从这个区中分配和释放内存，它的内存范围一般是 16M--896M，是能够正常映射的页

2.3 HIGH ：这个区中页就是所谓的高端内存，这个区中的页不能够直接使用，其中的页不能永久的映射到内核地址空间，它的范围是 896M--最大内存范围

      当然，这种划分方式是对于 32 位操作系统的，对于64位操作系统，内核可以访问内存的所有页，所以，不存在高端内核的说法。

      3.slab层

      分配和释放内存是内核经常做的事，正是由于这种频繁的操作，内核的设计者提出了高速缓存的概念，把经常用到的数据结构缓存起来，在使用时可以很快的分配这些结构，当用完之后并不直接释放，而是把它们再次加入到高速缓存中，等待下次用于分配。高速缓存只是一个内存区，怎样高效的管理高速缓存呢？内核设计者又提出了一个重要的概念，slab。用它来进行内存的分配和释放。

      slab是一组连续的页组成的结构，其中包含了高速缓存的对象。每个slab都处于三个状态之一。满，空，部分满。每次进行内存分配的时候，总是从部分满的slab中分配。若不存在那样的slab，那么就会从空的slab中分配，如果不存在空的，那么就需要调用内核函数请求为slab分配新的页面了。