物理虛擬內(nèi)存
物理虛擬內(nèi)存
有網(wǎng)友問(wèn)到小編物理虛擬內(nèi)存是什么，那么物理虛擬內(nèi)存到底是什么呢？學(xué)習(xí)啦小編為大家介紹下。供大家參考!
物理虛擬內(nèi)存
前一段時(shí)間在面試總監(jiān)的時(shí)候，總監(jiān)問(wèn)了我這樣的一個(gè)問(wèn)題：你跟我說(shuō)說(shuō)物理內(nèi)存和虛擬內(nèi)存到底是怎么一回事?
其實(shí)之前我看過(guò)這個(gè)問(wèn)題，據(jù)我理解的，當(dāng)時(shí)是這么回答的“進(jìn)程在運(yùn)行的時(shí)候，操作系統(tǒng)都為其分配一個(gè)4GB的地址空間，即所謂的虛擬地址空間，一般情況下，當(dāng)我們的程序很大的時(shí)候，實(shí)際的物理內(nèi)存根本不能滿足我們的需求的時(shí)候，這個(gè)時(shí)候操作系統(tǒng)就會(huì)借助磁盤空間來(lái)做虛擬的內(nèi)存空間，把當(dāng)前進(jìn)程不需要的數(shù)據(jù)放在磁盤上，等到用到的時(shí)候，在利用調(diào)度算法把所需要的數(shù)據(jù)從磁盤空間上調(diào)度到內(nèi)存，虛擬內(nèi)存就是為了擴(kuò)大內(nèi)存的容量，每當(dāng)我們要運(yùn)行一個(gè)程序的時(shí)候經(jīng)過(guò)編譯以后形成的僅僅是邏輯上的空間，根本不是可以直接運(yùn)行的內(nèi)存空間，所以它還存在一個(gè)地址映射的概念。”當(dāng)時(shí)感覺(jué)回答的很是籠統(tǒng)，只見總監(jiān)在最后說(shuō)了一句，你下去還是把這一塊的內(nèi)容在好好看看，所以今天就好好的把這個(gè)概念理一理。
首先我從最基本的概念說(shuō)起，什么是物理內(nèi)存的概念，虛擬內(nèi)存的概念?
物理內(nèi)存，在應(yīng)用中，自然是顧名思義，物理上，真實(shí)的插在板子上的內(nèi)存是多大就是多大了。而在CPU中的概念，物理內(nèi)存就是CPU的地址線可以直接進(jìn)行尋址的內(nèi)存空間大小。比如8086只有20根地址線，那么它的尋址空間就是1MB，我們就說(shuō)8086能支持1MB的物理內(nèi)存，及時(shí)我們安裝了128M的內(nèi)存條在板子上，我們也只能說(shuō)8086擁有1MB的物理內(nèi)存空間。同理我們現(xiàn)在大部分使用的是32位的機(jī)子，32位的386以上CPU就可以支持最大4GB的物理內(nèi)存空間了。
先說(shuō)說(shuō)為什么會(huì)有虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存的區(qū)別。正在運(yùn)行的一個(gè)進(jìn)程，他所需的內(nèi)存是有可能大于內(nèi)存條容量之和的，比如你的內(nèi)存條是256M，你的程序卻要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)2G的數(shù)據(jù)區(qū)，那么不是所有數(shù)據(jù)都能一起加載到內(nèi)存(物理內(nèi)存)中，勢(shì)必有一部分?jǐn)?shù)據(jù)要放到其他介質(zhì)中(比如硬盤)，待進(jìn)程需要訪問(wèn)那部分?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)，在通過(guò)調(diào)度進(jìn)入物理內(nèi)存。所以，虛擬內(nèi)存是進(jìn)程運(yùn)行時(shí)所有內(nèi)存空間的總和，并且可能有一部分不在物理內(nèi)存中，而物理內(nèi)存就是我們平時(shí)所了解的內(nèi)存條。有的地方呢，也叫這個(gè)虛擬內(nèi)存為內(nèi)存交換區(qū)。關(guān)鍵的是不要把虛擬內(nèi)存跟真實(shí)的插在主板上的內(nèi)存條相掛鉤，虛擬內(nèi)存它是“虛擬的”不存在，假的啦，它只是內(nèi)存管理的一種抽象!
那么，什么是虛擬內(nèi)存地址和物理內(nèi)存地址呢。假設(shè)你的計(jì)算機(jī)是32位，那么它的地址總線是32位的，也就是它可以尋址0~0xFFFFFFFF(4G)的地址空間，但如果你的計(jì)算機(jī)只有256M的物理內(nèi)存0x~0x0FFFFFFF(256M)，同時(shí)你的進(jìn)程產(chǎn)生了一個(gè)不在這256M地址空間中的地址，那么計(jì)算機(jī)該如何處理呢?回答這個(gè)問(wèn)題前，先說(shuō)明計(jì)算機(jī)的內(nèi)存分頁(yè)機(jī)制。
計(jì)算機(jī)會(huì)對(duì)虛擬內(nèi)存地址空間(32位為4G)分頁(yè)產(chǎn)生頁(yè)(page)，對(duì)物理內(nèi)存地址空間(假設(shè)256M)分頁(yè)產(chǎn)生頁(yè)幀(page frame)，這個(gè)頁(yè)和頁(yè)幀的大小是一樣大的，所以呢，在這里，虛擬內(nèi)存頁(yè)的個(gè)數(shù)勢(shì)必要大于物理內(nèi)存頁(yè)幀的個(gè)數(shù)。在計(jì)算機(jī)上有一個(gè)頁(yè)表(page table)，就是映射虛擬內(nèi)存頁(yè)到物理內(nèi)存頁(yè)的，更確切的說(shuō)是頁(yè)號(hào)到頁(yè)幀號(hào)的映射，而且是一對(duì)一的映射。但是問(wèn)題來(lái)了，虛擬內(nèi)存頁(yè)的個(gè)數(shù) > 物理內(nèi)存頁(yè)幀的個(gè)數(shù)，豈不是有些虛擬內(nèi)存頁(yè)的地址永遠(yuǎn)沒(méi)有對(duì)應(yīng)的物理內(nèi)存地址空間?不是的，操作系統(tǒng)是這樣處理的。操作系統(tǒng)有個(gè)頁(yè)面失效(page fault)功能。操作系統(tǒng)找到一個(gè)最少使用的頁(yè)幀，讓他失效，并把它寫入磁盤，隨后把需要訪問(wèn)的頁(yè)放到頁(yè)幀中，并修改頁(yè)表中的映射，這樣就保證所有的頁(yè)都有被調(diào)度的可能了。這就是處理虛擬內(nèi)存地址到物理內(nèi)存的步驟。
現(xiàn)在來(lái)回答什么是虛擬內(nèi)存地址和物理內(nèi)存地址。虛擬內(nèi)存地址由頁(yè)號(hào)(與頁(yè)表中的頁(yè)號(hào)關(guān)聯(lián))和偏移量組成。頁(yè)號(hào)就不必解釋了，上面已經(jīng)說(shuō)了，頁(yè)號(hào)對(duì)應(yīng)的映射到一個(gè)頁(yè)幀。那么，說(shuō)說(shuō)偏移量。偏移量就是我上面說(shuō)的頁(yè)(或者頁(yè)幀)的大小，即這個(gè)頁(yè)(或者頁(yè)幀)到底能存多少數(shù)據(jù)。舉個(gè)例子，有一個(gè)虛擬地址它的頁(yè)號(hào)是4，偏移量是20，那么他的尋址過(guò)程是這樣的：首先到頁(yè)表中找到頁(yè)號(hào)4對(duì)應(yīng)的頁(yè)幀號(hào)(比如為8)，如果頁(yè)不在內(nèi)存中，則用失效機(jī)制調(diào)入頁(yè)，否則把頁(yè)幀號(hào)和偏移量傳給MMU(CPU的內(nèi)存管理單元)組成一個(gè)物理上真正存在的地址，接著就是訪問(wèn)物理內(nèi)存中的數(shù)據(jù)了?？偨Y(jié)起來(lái)說(shuō)，虛擬內(nèi)存地址的大小是與地址總線位數(shù)相關(guān)，物理內(nèi)存地址的大小跟物理內(nèi)存條的容量相關(guān)。
第一層理解
1. 每個(gè)進(jìn)程都有自己獨(dú)立的4G內(nèi)存空間，各個(gè)進(jìn)程的內(nèi)存空間具有類似的結(jié)構(gòu)
2. 一個(gè)新進(jìn)程建立的時(shí)候，將會(huì)建立起自己的內(nèi)存空間，此進(jìn)程的數(shù)據(jù)，代碼等從磁盤拷貝到自己的進(jìn)程空間，哪些數(shù)據(jù)在哪里，都由進(jìn)程控制表中的task_struct記錄，task_struct中記錄中一條鏈表，記錄中內(nèi)存空間的分配情況，哪些地址有數(shù)據(jù)，哪些地址無(wú)數(shù)據(jù)，哪些可讀，哪些可寫，都可以通過(guò)這個(gè)鏈表記錄
3. 每個(gè)進(jìn)程已經(jīng)分配的內(nèi)存空間，都與對(duì)應(yīng)的磁盤空間映射
問(wèn)題：
計(jì)算機(jī)明明沒(méi)有那么多內(nèi)存(n個(gè)進(jìn)程的話就需要n*4G)內(nèi)存
建立一個(gè)進(jìn)程，就要把磁盤上的程序文件拷貝到進(jìn)程對(duì)應(yīng)的內(nèi)存中去，對(duì)于一個(gè)程序?qū)?yīng)的多個(gè)進(jìn)程這種情況，浪費(fèi)內(nèi)存!
第二層理解
1. 每個(gè)進(jìn)程的4G內(nèi)存空間只是虛擬內(nèi)存空間，每次訪問(wèn)內(nèi)存空間的某個(gè)地址，都需要把地址翻譯為實(shí)際物理內(nèi)存地址
2. 所有進(jìn)程共享同一物理內(nèi)存，每個(gè)進(jìn)程只把自己目前需要的虛擬內(nèi)存空間映射并存儲(chǔ)到物理內(nèi)存上。
3. 進(jìn)程要知道哪些內(nèi)存地址上的數(shù)據(jù)在物理內(nèi)存上，哪些不在，還有在物理內(nèi)存上的哪里，需要用頁(yè)表來(lái)記錄
4. 頁(yè)表的每一個(gè)表項(xiàng)分兩部分，第一部分記錄此頁(yè)是否在物理內(nèi)存上，第二部分記錄物理內(nèi)存頁(yè)的地址(如果在的話)
5. 當(dāng)進(jìn)程訪問(wèn)某個(gè)虛擬地址，去看頁(yè)表，如果發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)不在物理內(nèi)存中，則缺頁(yè)異常
6. 缺頁(yè)異常的處理過(guò)程，就是把進(jìn)程需要的數(shù)據(jù)從磁盤上拷貝到物理內(nèi)存中，如果內(nèi)存已經(jīng)滿了，沒(méi)有空地方了，那就找一個(gè)頁(yè)覆蓋，當(dāng)然如果被覆蓋的頁(yè)曾經(jīng)被修改過(guò)，需要將此頁(yè)寫回磁盤
總結(jié)：
優(yōu)點(diǎn)：
1.既然每個(gè)進(jìn)程的內(nèi)存空間都是一致而且固定的，所以鏈接器在鏈接可執(zhí)行文件時(shí)，可以設(shè)定內(nèi)存地址，而不用去管這些數(shù)據(jù)最終實(shí)際的內(nèi)存地址，這是有獨(dú)立內(nèi)存空間的好處
2.當(dāng)不同的進(jìn)程使用同樣的代碼時(shí)，比如庫(kù)文件中的代碼，物理內(nèi)存中可以只存儲(chǔ)一份這樣的代碼，不同的進(jìn)程只需要把自己的虛擬內(nèi)存映射過(guò)去就可以了，節(jié)省內(nèi)存
3.在程序需要分配連續(xù)的內(nèi)存空間的時(shí)候，只需要在虛擬內(nèi)存空間分配連續(xù)空間，而不需要實(shí)際物理內(nèi)存的連續(xù)空間，可以利用碎片。
另外，事實(shí)上，在每個(gè)進(jìn)程創(chuàng)建加載時(shí)，內(nèi)核只是為進(jìn)程“創(chuàng)建”了虛擬內(nèi)存的布局，具體就是初始化進(jìn)程控制表中內(nèi)存相關(guān)的鏈表，實(shí)際上并不立即就把虛擬內(nèi)存對(duì)應(yīng)位置的程序數(shù)據(jù)和代碼(比如.text .data段)拷貝到物理內(nèi)存中，只是建立好虛擬內(nèi)存和磁盤文件之間的映射就好(叫做存儲(chǔ)器映射)，等到運(yùn)行到對(duì)應(yīng)的程序時(shí)，才會(huì)通過(guò)缺頁(yè)異常，來(lái)拷貝數(shù)據(jù)。還有進(jìn)程運(yùn)行過(guò)程中，要?jiǎng)討B(tài)分配內(nèi)存，比如malloc時(shí)，也只是分配了虛擬內(nèi)存，即為這塊虛擬內(nèi)存對(duì)應(yīng)的頁(yè)表項(xiàng)做相應(yīng)設(shè)置，當(dāng)進(jìn)程真正訪問(wèn)到此數(shù)據(jù)時(shí)，才引發(fā)缺頁(yè)異常。
補(bǔ)充理解：
虛擬存儲(chǔ)器涉及三個(gè)概念： 虛擬存儲(chǔ)空間，磁盤空間，內(nèi)存空間
可以認(rèn)為虛擬空間都被映射到了磁盤空間中，(事實(shí)上也是按需要映射到磁盤空間上，通過(guò)mmap)，并且由頁(yè)表記錄映射位置，當(dāng)訪問(wèn)到某個(gè)地址的時(shí)候，通過(guò)頁(yè)表中的有效位，可以得知此數(shù)據(jù)是否在內(nèi)存中，如果不是，則通過(guò)缺頁(yè)異常，將磁盤對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)存中，如果沒(méi)有空閑內(nèi)存，則選擇犧牲頁(yè)面，替換其他頁(yè)面。
mmap是用來(lái)建立從虛擬空間到磁盤空間的映射的，可以將一個(gè)虛擬空間地址映射到一個(gè)磁盤文件上，當(dāng)不設(shè)置這個(gè)地址時(shí)，則由系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)置，函數(shù)返回對(duì)應(yīng)的內(nèi)存地址(虛擬地址)，當(dāng)訪問(wèn)這個(gè)地址的時(shí)候，就需要把磁盤上的內(nèi)容拷貝到內(nèi)存了，然后就可以讀或者寫，最后通過(guò)manmap可以將內(nèi)存上的數(shù)據(jù)換回到磁盤，也就是解除虛擬空間和內(nèi)存空間的映射，這也是一種讀寫磁盤文件的方法，也是一種進(jìn)程共享數(shù)據(jù)的方法 共享內(nèi)存
接下來(lái)我們來(lái)討論下物理內(nèi)存：在內(nèi)核態(tài)申請(qǐng)內(nèi)存比在用戶態(tài)申請(qǐng)內(nèi)存要更為直接，它沒(méi)有采用用戶態(tài)那種延遲分配內(nèi)存技術(shù)。內(nèi)核認(rèn)為一旦有內(nèi)核函數(shù)申請(qǐng)內(nèi)存，那么就必須立刻滿足該申請(qǐng)內(nèi)存的請(qǐng)求，并且這個(gè)請(qǐng)求一定是正確合理的。相反，對(duì)于用戶態(tài)申請(qǐng)內(nèi)存的請(qǐng)求，內(nèi)核總是盡量延后分配物理內(nèi)存，用戶進(jìn)程總是先獲得一個(gè)虛擬內(nèi)存區(qū)的使用權(quán)，最終通過(guò)缺頁(yè)異常獲得一塊真正的物理內(nèi)存。
1.物理內(nèi)存的內(nèi)核映射
IA32架構(gòu)中內(nèi)核虛擬地址空間只有1GB大小(從3GB到4GB)，因此可以直接將1GB大小的物理內(nèi)存(即常規(guī)內(nèi)存)映射到內(nèi)核地址空間，但超出1GB大小的物理內(nèi)存(即高端內(nèi)存)就不能映射到內(nèi)核空間。為此，內(nèi)核采取了下面的方法使得內(nèi)核可以使用所有的物理內(nèi)存。
1).高端內(nèi)存不能全部映射到內(nèi)核空間，也就是說(shuō)這些物理內(nèi)存沒(méi)有對(duì)應(yīng)的線性地址。不過(guò)，內(nèi)核為每個(gè)物理頁(yè)框都分配了對(duì)應(yīng)的頁(yè)框描述符，所有的頁(yè)框描述符都保存在mem_map數(shù)組中，因此每個(gè)頁(yè)框描述符的線性地址都是固定存在的。內(nèi)核此時(shí)可以使用alloc_pages()和alloc_page()來(lái)分配高端內(nèi)存，因?yàn)檫@些函數(shù)返回頁(yè)框描述符的線性地址。
2).內(nèi)核地址空間的后128MB專門用于映射高端內(nèi)存，否則，沒(méi)有線性地址的高端內(nèi)存不能被內(nèi)核所訪問(wèn)。這些高端內(nèi)存的內(nèi)核映射顯然是暫時(shí)映射的，否則也只能映射128MB的高端內(nèi)存。當(dāng)內(nèi)核需要訪問(wèn)高端內(nèi)存時(shí)就臨時(shí)在這個(gè)區(qū)域進(jìn)行地址映射，使用完畢之后再用來(lái)進(jìn)行其他高端內(nèi)存的映射。
由于要進(jìn)行高端內(nèi)存的內(nèi)核映射，因此直接能夠映射的物理內(nèi)存大小只有896MB，該值保存在high_memory中。內(nèi)核地址空間的線性地址區(qū)間如下圖所示：
從圖中可以看出，內(nèi)核采用了三種機(jī)制將高端內(nèi)存映射到內(nèi)核空間：永久內(nèi)核映射，固定映射和vmalloc機(jī)制。
2.物理內(nèi)存管理機(jī)制
基于物理內(nèi)存在內(nèi)核空間中的映射原理，物理內(nèi)存的管理方式也有所不同。內(nèi)核中物理內(nèi)存的管理機(jī)制主要有伙伴算法，slab高速緩存和vmalloc機(jī)制。其中伙伴算法和slab高速緩存都在物理內(nèi)存映射區(qū)分配物理內(nèi)存，而vmalloc機(jī)制則在高端內(nèi)存映射區(qū)分配物理內(nèi)存。
伙伴算法
伙伴算法負(fù)責(zé)大塊連續(xù)物理內(nèi)存的分配和釋放，以頁(yè)框?yàn)榛締挝?。該機(jī)制可以避免外部碎片。
per-CPU頁(yè)框高速緩存
內(nèi)核經(jīng)常請(qǐng)求和釋放單個(gè)頁(yè)框，該緩存包含預(yù)先分配的頁(yè)框，用于滿足本地CPU發(fā)出的單一頁(yè)框請(qǐng)求。
slab緩存
slab緩存負(fù)責(zé)小塊物理內(nèi)存的分配，并且它也作為高速緩存，主要針對(duì)內(nèi)核中經(jīng)常分配并釋放的對(duì)象。
vmalloc機(jī)制
vmalloc機(jī)制使得內(nèi)核通過(guò)連續(xù)的線性地址來(lái)訪問(wèn)非連續(xù)的物理頁(yè)框，這樣可以最大限度的使用高端物理內(nèi)存。
3.物理內(nèi)存的分配
內(nèi)核發(fā)出內(nèi)存申請(qǐng)的請(qǐng)求時(shí)，根據(jù)內(nèi)核函數(shù)調(diào)用接口將啟用不同的內(nèi)存分配器。
3.1 分區(qū)頁(yè)框分配器
分區(qū)頁(yè)框分配器 (zoned page frame allocator) ,處理對(duì)連續(xù)頁(yè)框的內(nèi)存分配請(qǐng)求。分區(qū)頁(yè)框管理器分為兩大部分:前端的管理區(qū)分配器和伙伴系統(tǒng)，如下圖：
管理區(qū)分配器負(fù)責(zé)搜索一個(gè)能滿足請(qǐng)求頁(yè)框塊大小的管理區(qū)。在每個(gè)管理區(qū)中,具體的頁(yè)框分配工作由伙伴系統(tǒng)負(fù)責(zé)。為了達(dá)到更好的系統(tǒng)性能,單個(gè)頁(yè)框的申請(qǐng)工作直接通過(guò)per-CPU頁(yè)框高速緩存完成。
該分配器通過(guò)幾個(gè)函數(shù)和宏來(lái)請(qǐng)求頁(yè)框,它們之間的封裝關(guān)系如下圖所示。
這些函數(shù)和宏將核心的分配函數(shù)__alloc_pages_nodemask()封裝,形成滿足不同分配需求的分配函數(shù)。其中，alloc_pages()系列函數(shù)返回物理內(nèi)存首頁(yè)框描述符，__get_free_pages()系列函數(shù)返回內(nèi)存的線性地址。
3.2 slab分配器
slab 分配器最初是為了解決物理內(nèi)存的內(nèi)部碎片而提出的，它將內(nèi)核中常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)看做對(duì)象。slab分配器為每一種對(duì)象建立高速緩存。內(nèi)核對(duì)該對(duì)象的分配和釋放均是在這塊高速緩存中操作。一種對(duì)象的slab分配器結(jié)構(gòu)圖如下：
可以看到每種對(duì)象的高速緩存是由若干個(gè)slab組成，每個(gè)slab是由若干個(gè)頁(yè)框組成的。雖然slab分配器可以分配比單個(gè)頁(yè)框更小的內(nèi)存塊，但它所需的所有內(nèi)存都是通過(guò)伙伴算法分配的。
slab高速緩存分專用緩存和通用緩存。專用緩存是對(duì)特定的對(duì)象，比如為內(nèi)存描述符創(chuàng)建高速緩存。通用緩存則是針對(duì)一般情況，適合分配任意大小的物理內(nèi)存，其接口即為kmalloc()。
3.3 非連續(xù)內(nèi)存區(qū)內(nèi)存的分配
內(nèi)核通過(guò)vmalloc()來(lái)申請(qǐng)非連續(xù)的物理內(nèi)存，若申請(qǐng)成功，該函數(shù)返回連續(xù)內(nèi)存區(qū)的起始地址，否則，返回NULL。vmalloc()和kmalloc()申請(qǐng)的內(nèi)存有所不同，kmalloc()所申請(qǐng)內(nèi)存的線性地址與物理地址都是連續(xù)的，而vmalloc()所申請(qǐng)的內(nèi)存線性地址連續(xù)而物理地址則是離散的，兩個(gè)地址之間通過(guò)內(nèi)核頁(yè)表進(jìn)行映射。
vmalloc()的工作方式理解起來(lái)很簡(jiǎn)單：
1).尋找一個(gè)新的連續(xù)線性地址空間;
2).依次分配一組非連續(xù)的頁(yè)框;
3).為線性地址空間和非連續(xù)頁(yè)框建立映射關(guān)系，即修改內(nèi)核頁(yè)表;
vmalloc()的內(nèi)存分配原理與用戶態(tài)的內(nèi)存分配相似，都是通過(guò)連續(xù)的虛擬內(nèi)存來(lái)訪問(wèn)離散的物理內(nèi)存，并且虛擬地址和物理地址之間是通過(guò)頁(yè)表進(jìn)行連接的，通過(guò)這種方式可以有效的使用物理內(nèi)存。但是應(yīng)該注意的是，vmalloc()申請(qǐng)物理內(nèi)存時(shí)是立即分配的，因?yàn)閮?nèi)核認(rèn)為這種內(nèi)存分配請(qǐng)求是正當(dāng)而且緊急的;相反，用戶態(tài)有內(nèi)存請(qǐng)求時(shí)，內(nèi)核總是盡可能的延后，畢竟用戶態(tài)跟內(nèi)核態(tài)不在一個(gè)特權(quán)級(jí)。
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