linux中虛擬內(nèi)存的示例分析

這篇文章給大家分享的是有關(guān)linux中虛擬內(nèi)存的示例分析的內(nèi)容。小編覺得挺實用的，因此分享給大家做個參考，一起跟隨小編過來看看吧。

什么是虛存?為什么需要它？

　　我們知道程序代碼和數(shù)據(jù)必須駐留在內(nèi)存中才能得以運行，然而系統(tǒng)內(nèi)存數(shù)量很有限，往往不能容納一個完整程序的所有代碼和數(shù)據(jù)，更何況在多任務(wù)系統(tǒng)中，可能需要同時打開子處理程序，畫圖程序，瀏覽器等很多任務(wù)，想讓內(nèi)存駐留所有這些程序顯然不太可能。因此首先能想到的就是將程序分割成小份，只讓當(dāng)前系統(tǒng)運行它所有需要的那部分留在內(nèi)存，其它部分都留在硬盤。當(dāng)系統(tǒng)處理完當(dāng)前任務(wù)片段后，再從外存中調(diào)入下一個待運行的任務(wù)片段。的確，老式系統(tǒng)就是這樣處理大任務(wù)的，而且這個工作是由程序員自行完成。但是隨著程序語言越來越高級，程序員對系統(tǒng)體系的依賴程度降低了，很少有程序員能非常清楚的駕馭系統(tǒng)體系，因此放手讓程序員負責(zé)將程序片段化和按需調(diào)入輕則降低效率，重則使得機器崩潰；再一個原因是隨著程序越來越豐富，程序的行為幾乎無法準(zhǔn)確預(yù)測，程序員自己都很難判斷下一步需要載入哪段程序。因此很難再靠預(yù)見性來靜態(tài)分配固定大小的內(nèi)存，然后再機械地輪換程序片進入內(nèi)存執(zhí)行。系統(tǒng)必須采取一種能按需分配而不需要程序員干預(yù)的新技術(shù)。

　　虛擬內(nèi)存（之所以稱為虛擬內(nèi)存，是和系統(tǒng)中的邏輯內(nèi)存和物理內(nèi)存相對而言的，邏輯內(nèi)存是站在進程角度看到的內(nèi)存，因此是程序員關(guān)心的內(nèi)容。而物理內(nèi)存是站在處理器角度看到的內(nèi)存，由操作系統(tǒng)負責(zé)管理。虛擬內(nèi)存可以說是映射到這兩種不同視角內(nèi)存的一個技術(shù)手段。）技術(shù)就是一種由操作系統(tǒng)接管的按需動態(tài)內(nèi)存分配的方法，它允許程序不知不覺中使用大于實際物理空間大小的存儲空間(其實是將程序需要的存儲空間以頁的形式分散存儲在物理內(nèi)存和磁盤上)，所以說虛擬內(nèi)存徹底解放了程序員,從此程序員不用過分關(guān)心程序的大小和載入，可以自由編寫程序了，繁瑣的事情都交給操作系統(tǒng)去做吧。

實現(xiàn)虛擬內(nèi)存
　　虛擬內(nèi)存是將系統(tǒng)硬盤空間和系統(tǒng)實際內(nèi)存聯(lián)合在一起供進程使用,給進程提供了一個比內(nèi)存大得多的虛擬空間。在程序運行時，只要把虛擬地址空間的一小部分映射到內(nèi)存，其余都存儲在硬盤上（也就是說程序虛擬空間就等于實際物理內(nèi)存加部分硬盤空間）。當(dāng)被訪問的虛擬地址不在內(nèi)存時，則說明該地址未被映射到內(nèi)存，而是被存貯在硬盤中，因此需要的虛擬存儲地址隨即被調(diào)入到內(nèi)存；同時當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)存緊張時，也可以把當(dāng)前不用的虛擬存儲空間換出到硬盤，來騰出物理內(nèi)存空間。系統(tǒng)如此周而復(fù)始地運轉(zhuǎn)——換入、換出，而用戶幾乎無法查覺，這都是拜虛擬內(nèi)存機制所賜。

　　Linux的swap分區(qū)就是硬盤專門為虛擬存儲空間預(yù)留的空間。經(jīng)驗大小應(yīng)該是內(nèi)存的兩倍左右。有興趣的話可以使用 swapon -s 查看交換分區(qū)大小。

　　大道理很好理解，無非是用內(nèi)存和硬盤空間合成為虛擬內(nèi)存空間。但是這一過程中反復(fù)運行的地址映射(虛擬地址映射到物理地址)和虛擬地址換入換出卻值得仔細推敲。系統(tǒng)到底是怎么樣把虛擬地址映射到物理地址上的呢？內(nèi)存又如何能不斷地和硬盤之間換入換出虛擬地址呢？

　　利用段機制能否回答上述問題呢？邏輯地址通過段機制后變?yōu)橐粋€32位的地址，足以覆蓋4G的內(nèi)存空間，當(dāng)程序需要的虛擬地址不在內(nèi)存時，只依靠段機制很難進行虛擬空間地換入換出，因為不大方便把整段大小的虛擬空間在內(nèi)存和硬盤之間調(diào)來調(diào)去（老式系統(tǒng)中，會笨拙地換出整段內(nèi)存甚至整個進程，想想這樣做會有那些惡果吧?。?。所以很有必要尋找一個更小更靈活的存儲表示單位，這樣才方便虛擬地址在硬盤和內(nèi)存之間調(diào)入調(diào)出。這個更小的存儲管理單位便是頁（4K大?。９芾眄摀Q入換出的機制被稱為頁機制。

　　因為使用頁機制的原因，通過段機制轉(zhuǎn)換得到的地址僅僅是作為一個中間地址——線性地址，該地址不代表實際物理地址，而是代表整個進程的虛擬空間地址。在線性地址的基礎(chǔ)上，頁機制接著會處理線性地址映射：當(dāng)需要的線性地址（虛擬空間地址）不在內(nèi)存時，便以頁為單位從磁盤中調(diào)入需要的虛擬內(nèi)存；當(dāng)內(nèi)存不夠時，又會以頁為單位把內(nèi)存中虛擬空間的換出到磁盤上。可見，利用頁來管理內(nèi)存和磁盤（虛擬內(nèi)存）大大方便了內(nèi)存管理的工作。毫無疑問，頁機制和虛擬內(nèi)存管理簡直是“絕配”。

使用頁機制，4G空間被分成2的20次方個4K大小的頁面（頁面也可定為4M大小），因此定位頁面需要的索引表(頁表)中每個索引項至少需要20位，但是在頁表項中往往還需要附加一些頁屬性，所以頁表項實際為32位，其中12位用來存放諸如“頁是否存在于內(nèi)存”或“頁的權(quán)限”等信息。

前面我們提到了線性地址是32位。它其中高20位是對頁表的索引，低12位則給出了頁面中的偏移。線性地址經(jīng)過頁表找到頁面基地址后和低12位偏移量相加就形成了最終需要的物理地址了。

在實際使用中，并非所有頁表項都是被存放在一個大頁表里，因為每個頁表項占4個字節(jié)，如果要在一個表中存放2的20次方個頁表項，就需要4M的連續(xù)存儲空間。這么大的連續(xù)空間可不好找，因此往往會把頁表分級存儲，比如分兩級，那么每級頁表只需要4k連續(xù)空間了。

　　兩級頁表搜索如同看章回小說，先找到在哪一章里，然后在找在該章下的哪一節(jié)。具體過程看看下圖：

綜上所述，地址轉(zhuǎn)換工作需要兩種技術(shù)，一是段機制，二是頁機制。段機制處理邏輯地址向線性地址的映射;頁機制則負責(zé)把線性地址映射為物理地址。兩級映射共同完成了從程序員看到的邏輯地址轉(zhuǎn)換到處理器看到的物理地址這一艱巨任務(wù)。

　　你可以將這兩種機制分別比作一個地址轉(zhuǎn)換函數(shù)，段機制的變量是邏輯地址，函數(shù)值是線性地址；頁機制的變量是線性地址，函數(shù)值是物理地址。地址轉(zhuǎn)換過程如下所示。

　　邏輯地址——（段函數(shù)）——>線性地址——（頁函數(shù)）——>物理地址。

　　雖然段機制和頁機制都參與映射，但它們分工不同，而且相互獨立互不干擾，彼此之間不必知道對方是否存在。

　　下面我們結(jié)合Linux實例簡要地看看段頁機制如何使用。

Linux中的分段策略
　　段機制在Linux里用得有限，并沒有被完全利用。每個任務(wù)并未分別安排各自獨立的數(shù)據(jù)段，代碼段，而是僅僅最低限度的利用段機制來隔離用戶數(shù)據(jù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)——Linux只安排了四個范圍一樣的段，內(nèi)核數(shù)據(jù)段，內(nèi)核代碼段，用戶數(shù)據(jù)段，用戶代碼段，它們都覆蓋0-4G的空間，所不同的是各段屬性不同，內(nèi)核段特權(quán)級為0，用戶段特權(quán)級為3。這樣分段，避免了邏輯地址到線性地址的轉(zhuǎn)換步驟(邏輯地址就等于線性地址)，但仍然保留了段的等級這層最基本保護。

每個用戶進程都可以看到4G大小的線性空間，其中0-3G是用戶空間，用戶態(tài)進程可以直接訪問；從3G-4G空間為內(nèi)核空間，存放內(nèi)核代碼和數(shù)據(jù)，只有內(nèi)核態(tài)進程能夠直接訪問，用戶態(tài)進程不能直接訪問，只能通過系統(tǒng)調(diào)用和中斷進入內(nèi)核空間，而這時就要進行的特權(quán)切換。

說到特權(quán)切換，就離不開任務(wù)門，陷阱門/中斷門等概念。陷阱門和中斷門是在發(fā)生陷阱和中斷時，進入內(nèi)核空間的通道。調(diào)用門是用戶空間程序相互訪問時所需要的通道，任務(wù)門比較特殊，它不含任何地址，而是服務(wù)于任務(wù)切換（但linux任務(wù)切換時并未真正采用它，它太麻煩了）。

對于各種門系統(tǒng)都會有對應(yīng)的門描述符，和段描述符結(jié)構(gòu)類似，門描述符也是由對應(yīng)的門選擇字索引，并且最終會產(chǎn)生一個指向特定段內(nèi)偏移地址的指針。這個指針指向的就是將要進入的入口。利用門的目的就是保證入口可控，不至于進入到內(nèi)核中不該訪問的位置。

Linux中的分頁策略
　　看看linux中如何使用分頁。

　　Linux中每個進程都會有各自不同的頁表，也就是說進程的映射函數(shù)互不相同，保證每個進程虛擬地址不會映射到相同的物理地址上。這是因為進程之間必須相互獨立，各自的數(shù)據(jù)必須隔離，防止信息泄漏。

　　需要注意的是，內(nèi)核作為必須保護的單獨部分，它有自己獨立的頁表來映射內(nèi)核空間(并非全部空間，僅僅是物理內(nèi)存大小的空間)，該頁表（swapper_pg_dir）被靜態(tài)分配，它只來映射內(nèi)核空間（swapper_pg_dir只用到768項以后的項——768個頁目錄可映射3G空間）。這個獨立頁表保證了內(nèi)核虛擬空間獨立于其他用戶程序空間，也就是說其他進程通常狀態(tài)下和內(nèi)核是沒有聯(lián)系的(在編譯內(nèi)核的時候，內(nèi)核代碼被指定鏈接到3G以上空間)，因而內(nèi)核數(shù)據(jù)也就自然被保護起來了。

　　那么在用戶進程需要訪問內(nèi)核空間時如何做呢？

　　Linux采用了個巧妙的方法：用戶進程頁表的前768項映射進程空間（<3G，因為LDT 中只指定基地址為0,范圍只能到0xc0000000），如果進程要訪問內(nèi)核空間，如調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用，則進程的頁目錄中768項后的表項將指向swapper_pg_dir的768項后的項，所以一旦用戶陷入內(nèi)核,就開始使用內(nèi)核的頁表swapper_pg_dir了，也就是說可以訪問內(nèi)核空間了。

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