Linux-内存管理.doc

计算机操作系统课程小论文Linux内存管理机制姓名：汪青松班级:10网络工程1班学号：1004031010Linux内存管理机制班级：10级网络工程1班 姓名：汪青松 学号：1004031010一、 概述 现代操作系统允许多个程序同时运行，因此，内存中需要同时存放这些程序，操作系统采用的存储管理方案有分区存储管理、分页式存储管理、分段式存储管理和段页式存储管理。在Linux平台上，多任务运行是不可或缺的，在合理的进程调度算法控制下还得合理的管理内存机制，除了在物理内存的支持下，Linux还得借助虚拟内存等来容纳更多的程序运行，没有足够的内存空间来供程序运行，机器则会出现假死机、服务异常等问题，如果Linux虽然可以在一段时间内自行恢复，但是恢复后的系统已经基本不可用了。因此，合理规划和设计Linux内存的使用，是非常重要的。二、 Linux下内存管理框架在Linux中对于内存的管理涉及到：页面管理、连续内存区管理和非连续存储区管理，而对于内存管理的方式通常为直接使用、使用slab分配器和使用非连续的存储区。其Linux采用页作为内存管理的基本单位，其采用的标准的页面大小为4KB，采用三次映射机制实现从线性地址到物理地址的映射。Linux内核使用页描述符来跟踪和管理物理内存，每个物理页面都用一个页描述符表示，页描述符用struct page 的结构描述，所有物理页面的描述符组织在men_map数组中，page则是对物理页面描述的一个数据结构Linux采用buddy算法来解决内存的碎片问题。三、 Linux对虚拟内存的管理在Linux中经常发现空闲内存很少，似乎所有的内存都被系统占用了，表面感觉是内存不够用了，其实不然。这是Linux内存管理的一个优秀特性，在这方面，区别于Windows的内存管理。主要特点是，无论物理内存有多大，Linux 都将其充份利用，将一些程序调用过的硬盘数据读入内存，利用内存读写的高速特性来提高Linux系统的数据访问性能。而Windows 是只在需要内存时，才为应用程序分配内存，并不能充分利用大容量的内存空间。换句话说，每增加一些物理内存，Linux 都将能充分利用起来，发挥了硬件投资带来的好处，而Windows只将其做为摆设，即使增加8GB甚至更大。Linux 的这一特性，主要是利用空闲的物理内存，划分出一部份空间，做为cache 和 buffers ，以此提高数据访问性能。从而引出物理内存的特性。对于从物理内存中虚拟出来的内存可以解决内存容量的问题，还拥有许多的附加功能：诸如大地址空间；进程保护；内存映射；灵活分配物理内存；共享虚拟内存等。Linux对于虚拟内存的管理以进程为基础，如32位的线性进程映射到4Gb的虚拟空间中去，从0XC0000000到0XFFFFFFFF的1Gb空间为所用进程所共享的内核空间，每个进程都有自己的3Gb用户空间。四、 Linux对物理内存的管理在Linux中对于物理内存的管理主要是通过页面的方式（一）、物理内存的页面管理在内存基本框架中已经提起，Linux对于物理内存的空间主要是通过分页的方式来进行管理的，其具体做法就是将物理内存划分成大小相同的物理页面。在X86平台下每个页面的大小为4KB，4KB是大多数磁盘块大小的倍数，传输效率高，管理方便。Linux设置了一个mem_map数组管理内存页面，它开始时由free_area_init()来初始化创建，并且放在物理内存的底部。（图一）mem_map数组结构（图二）Buddy算法（2） 、空闲页面的管理（Buddy算法）Buddy的基本思想是：首先把内存中的所有页面按照2n划分其中n=05，对一个内存空间按1个页面、2个页面、4个页面、8 个页面、16个页面、32 个页面进行六次划分，划分后形成了大小不等的存储块称为页面块，简称页块。包含1个页面的页块称为1页块，包含2个页面的称为2页块，依此类推。Linux 把物理内存划分成了1、2、4、8、16、32六种页块。对于每种页面块按前后顺序两两结合成一对 Buddy伙伴按照1页面划分后，0和1页、2和3页是1页块Buddy。按照2页面划分，0-1和2-3、4-5和6-7是2页块。BuddyLinux 把空闲的页面按照页块大小分组进行管理，用数组free_area来管理各个空闲页块组。在linux/mm/page_alloc.c中定义如下：#define NR_MEN_LIST 6Static struct free_area_struct free_menNR_MEN_LIST;Struct free_area_structStruct page *next;Struct page *prev;Unsigned int *map;五、 内存空间的分配和释放（一）、物理内存分配Linux中在申请和释放较小的内存时，使用kmalloc()和kfree()在物理内存中进行分配。这些内存是实际存在的，并且是连续的，并且是根据slab块来分配。kmalloc()和kfree()分配和释放内存是以块（block）为单位进行的。可以分配的空闲块的大小记录在blocksize表中，它是一个静态数组，定义在/mm/kmalloc.c中：在使用kmalloc（）分配空闲块时仍以Buddy算法为基础，即以free_area管理的空闲页面块做为分配对象。重新制定了分配的单位， blocksize数组中的块长度。它可以分配比1个页面更小的内存空间。blocksize中的前7个是在1个空闲页面内进行分配，其后的6种分别对应free_area的1至32空闲页面块，当申请分配的空间小于或等于1个页面时，从free_area管理的1页面块中查找空闲页面进行分配。若申请的空间大于一个页面时，按照blocksize后六个块单位进行申请，从free_area中与该块长度对应的空闲页块组中查找空闲页面块。Free_area数组定义如下：Typedef struct free_area_structStruct list_head free_list;Unsigned int *map;free_area_t; （二）、虚拟内存分配在分配在物理申请较大的内存空间时，使用vmalloc()。由vmalloc()申请的内存空间在虚拟内存中是连续的，它们映射到在物理内存时，可以使用不连续的物理页面，而且仅把当前访问的部分放在物理页面中。Vmalloc申请内存如下：#define A_MEGABYTE 1024*1024int main() char *some_memery;int megabyte=A_MEGABYTE;int exit_code=EXIT_FAILURE;some_memery=(char*)valloc(megabyte); /* 申请内存 */if(some_memery!=NULL)sprintf(some_memery,Hello world!n); /* 将字符串写入 some_memery 所指向内存 */printf(%s,some_memery);free(some_memery); /* 释放内存 */printf(memery is free!n);exit_code=EXIT_SUCCESS;exit(exit_code);六、 缓存和刷新机制在Linux中除了引入虚拟内存的概念外，在前面也提及了高速缓存的概念。为了更好的呃发挥系统性能，Linux采用了一系列和内存相关的机制：（1） 、缓存区高速缓存：包含了从设备中读取的数据块或写入设备的数据块。缓冲区高速缓存由设备标示号和块索引，因此可以快速找到数据块。如果数据可以在缓冲区中高速缓存中找到，则不需要从物理块设备上读取，从而加快了访问速度。（2） 、页高速缓存：这一高速缓存用来加速对磁盘上的映像和数据访问，它用来缓存某个文件的逻辑内容，并通过文件VFS索引节点和偏移量访问。当页从磁盘读到物理内存时，就缓存在页高速缓存。（3） 、交换高速缓存：用于多个近程共享的页面被换出到交换区的情况。当页面交换到交换文件之后，如果有进程再次访问，它会被重新调入内存。Linux 需要从物理内存中交换出某个页面时，它首先分析交换缓存中的信息，如果缓存中包含该物理页面的一个非零页面表项，则说明该页面交换出内存后还没有被修改过，这时，系统只需丢弃该页面。概括下就是我们提到的cached、buffers和swap，buffers与cached都是内存操作，用来保存系统曾经打开过的文件以及文件属性信息，这样当操作系统需要读取某些文件时，会首先在buffers 与cached内存区查找，如果找到，直接读出传送给应用程序，如果没有找到需要数据，才从磁盘读取，这就是操作系统的缓存机制，通过缓存，大大提高了操作系统的性能。但buffers与cached缓冲的内容却是不同的。buffers是用来缓冲块设备做的，它只记录文件系统的元数据，而cached是用来给文件做缓冲。更通俗一点说：buffers主要用来存放目录里面有什么内容，文件的属性以及权限等等。而cached 直接用来记忆我们打开过的文件和程序。这里给出有关交换缓存的部分函数及功能：位于/ linux/mm/swap_state.c 中。七、 总结Linux作为一款免费、开源高效的操作系统，是近年来使用比较多的一款操作系统，也应用于各个行业，在全世界范围内也有一大批爱好者。由于简单、巧妙和高效是Linux内核的原则，从而在Linux的发展过程中需要不断完善和优化内存的管理单元的功能和性能。针对某些特殊和具体的领域和行业，还可以根据自己的需求定制Linux内核。而内存管理单元作为Linux操作系统的核心部分，更是起着举足轻重的作用。八、 参考文献：1 宋锦华, 马传琦. Linux内存管理-Buddy算法探究J. 福建电脑 , 2009,(01) 2赵鲲鹏,苏葆光 现代计算机：下半月版 2006 第5期3邱铁 Linux应用与开发典型实例精讲,清华大学出版社4周苏，金海溶操作系统原理实验，科学出版社5ChinaUnix：http:/blog.ch