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Linux虚拟内存管理基础篇
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主要内容
虚拟内存管理的基本原理和基本过程。
CPU对虚拟内存管理的支持。(ULK )
Linux如何管理页表。(ULK )
Linux如何管理物理内存(ULK )
Linux如何管理虚拟空间的内核地址空间部分(ULK )
Linux如何管理虚拟空间的进程地址空间部分(ULK )
Linux如何在物理内存和外出之间同步数据(ULK )
Linux如何主动回收物理内存(ULK )
注:无法全部讲骚瑞
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从宏观角度….
Linux的虚拟内存管理机制为应用程序和驱动程序提供了两种服务:
使每个进程都拥有自己独立的内存地址空间;对于32位Linux而言,每个任务可寻址的内存地址空间都为0x00000000 ~ 0xFFFFFFFF(232, 4GB)
当物理内存不够4GB时,虚拟内存管理模块会用外存空间模拟内存空间,并且该模拟过程对应用程序是透明的。
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用户地址空间与内核地址空间
Linux将每个进程的4GB的独立地址空间又划分为用户地址空间(0x00000000 ~ 0xBFFFFFFF)和内核地址空间(0xC0000000 ~ 0xFFFFFFFF)两部分。
操作系统内核代码和数据存放在内核地址空间;每个进程自己私有的代码和数据存放在用户地址空间
虽然Linux的内核代码和数据被映射到了每个进程的地址空间中(所有进程看到的内容是相同的),但在实际的物理内存中,只有内核代码和数据的一份拷贝。
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用户地址空间与内核地址空间
用户态与核心态
一般现代CPU都有几种不同的指令执行级别
在高执行级别下,代码可以执行特权指令,访问任意的物理地址,这种CPU执行级别就对应着内核态
用户态指相应的低级别执行状态,代码的掌控范围会受到限制,只能执行CPU指令集的一个子集
举例:intel x86 CPU有四种不同的执行级别0-3,Linux只使用了其中的0级和3级分别来表示内核态和用户态
0xc0000000以上的内核地址空间只能在内核态下访问,0x00000000-0xbfffffff的用户地址空间在两种状态下都可以访问
应用程序可以通过Linux系统调用由用户态进入内核态
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X86处理器对VM的支持
MMU单元:(1)自动查表,将当期指令中的逻辑地址转化为物理地址; (2)触发缺页异常。
32bitCPU支持2级页表:页目录表,页表。10+10+12
64bitCPU支持4级页表:9+9+9+9+12
专用寄存器CR3中存放了当前有效的页目录表的物理地址。
专用寄存器CR2用于存放触发缺页异常的线性地址。
转换旁视缓冲区TLB:将常用的逻辑/物理转换关系缓存到CPU。当页表被修改,或有效页表切换时需调用专用指令刷新TLB。
flush_tlb_all, flush_tlb_mm, flush_tlb_range, flush_tlb_page
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32bit Intel x86的页表
在32位CPU上,地址空间为2^32,一个内存页大小为2^12,则共有2^20个页,页编号范围0~2^20-1,因此页表中的一行至少要用3个字节(存储页编号是必须的),但实际上页表中一行占4个字节。
80386CPU中一个页表项的定义如下:
Present标志、Accessed标志、Dirty标志、Read/Write标志、User/Supervisor标志、……
如果present标志为0,分页单元就把这个线性地址存放在处理器的CR2寄存器中,并产生一个14号缺页异常