特性介绍 | Linux 内存管理机制解析

dbkernel - 2021-09-30 06:30:34

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本文首发于 2014-03-12 21:27:30Linux 内存地址映射图

后文中 图：XXX 指的就是上图中对应区域。地址映射（图：左中）

inux 内核使用页式内存管理，应用程序给出的内存地址是虚拟地址，它需要经过若干级页表一级一级的变换，才变成真正的物理地址。

想一下，地址映射还是一件很恐怖的事情。当访问一个由虚拟地址表示的内存空间时，需要先经过若干次的内存访问，得到每一级页表中用于转换的页表项（页表是存放在内存里面的），才能完成映射。也就是说，要实现一次内存访问，实际上内存被访问了N+1次（N=页表级数），并且还需要做N次加法运算。

所以，地址映射必须要有硬件支持，mmu（内存管理单元）就是这个硬件。并且需要有cache来保存页表，这个 cache 就是 TLB（Translation lookaside buffer）。

尽管如此，地址映射还是有着不小的开销。假设 cache 的访存速度是内存的10倍，命中率是40%，页表有三级，那么平均一次虚拟地址访问大概就消耗了两次物理内存访问的时间。于是，一些嵌入式硬件上可能会放弃使用 mmu，这样的硬件能够运行 VxWorks（一个很高效的嵌入式实时操作系统）、linux（linux 也有禁用 mmu 的编译选项）等系统。

但是使用 mmu 的优势也是很大的，最主要的是出于安全性考虑。各个进程都是相互独立的虚拟地址空间，互不干扰。而放弃地址映射之后，所有程序将运行在同一个地址空间。于是，在没有mmu的机器上，一个进程越界访存，可能引起其他进程莫名其妙的错误，甚至导致内核崩溃。

在地址映射这个问题上，内核只提供页表，实际的转换是由硬件去完成的。那么内核如何生成这些页表呢？这就有两方面的内容：虚拟地址空间的管理和物理内存的管理。（实际上只有用户态的地址映射才需要管理，内核态的地址映射是写死的。）

虚拟地址管理（图：左下）

每个进程对应一个 task 结构，它指向一个 mm 结构，这就是该进程的内存管理器。（对于线程来说，每个线程也都有一个 task 结构，但是它们都指向同一个 mm，所以同一进程中的多个线程的地址空间是共享的。）

mm->pgd 指向容纳页表的内存，每个进程有自已的 mm，每个 mm 有自己的页表。于是，进程调度时，页表被切换（一般会有一个CPU寄存器来保存页表的地址，比如X86下的CR3，页表切换就是改变该寄存器的值）。所以，各个进程的地址空间互不影响（因为页表都不一样了，当然无法访问到别人的地址空间上。但是共享内存除外，这是故意让不同的页表能够访问到相同的物理地址上）。

用户程序对内存的操作（分配、回收、映射、等）都是对 mm 的操作，具体来说是对 mm 上的 vma（虚拟内存空间） 的操作。这些 vma 代表着进程空间的各个区域，比如堆、栈、代码区、数据区、各种映射区 等。

用户程序对内存的操作并不会直接影响到页表，更不会直接影响到物理内存的分配。比如 malloc 成功，仅仅是改变了某个 vma，页表不会变，物理内存的分配也不会变。

假设用户分配了内存，然后访问这块内存。由于页表里面并没有记录相关的映射，CPU产生一次缺页异常。内核捕捉异常，检查产生异常的地址是不是存在于一个合法的vma中，如果不是，则给进程一个"段错误"，让其崩溃；如果是，则分配一个物理页，并为之建立映射。

物理内存管理（图：右上）

那么物理内存是如何分配的呢？

首先，linux 支持 NUMA (Non Uniform Memory Access)。物理内存管理的第一个层次就是介质的管理，pg_data_t结构就描述了介质。一般而言，我们的内存管理介质只有内存，并且它是均匀的，所以可以简单地认为系统中只有一个 pg_data_t 对象。

每一种介质下面有若干个zone，一般是三个：DMA、NORMAL和HIGH。

DMA：因为有些硬件系统的DMA总线比系统总线窄，所以只有一部分地址空间能够用作 DMA，这部分地址被管理在 DMA 区域（这属于是高级货了）；HIGH：高端内存。在32位系统中，地址空间是4G，其中内核规定 3~4G 的范围是内核空间，0~3G 是用户空间（每个用户进程都有这么大的虚拟空间）（图：中下）。前面提到过内核的地址映射是写死的，就是指这3~4G的对应的页表是写死的，它映射到了物理地址的0~1G上。（实际上没有映射1G，只映射了896M。剩下的空间留下来映射大于1G的物理地址，而这一部分显然不是写死的）。所以，大于896M的物理地址是没有写死的页表来对应的，内核不能直接访问它们（必须要建立映射），称它们为高端内存（当然，如果机器内存不足896M，就不存在高端内存。如果是64位机器，也不存在高端内存，因为地址空间很大很大，属于内核的空间也不止1G了）；NORMAL：不属于 DMA 或 HIGH 的内存就叫 NORMAL 。

在 zone 之上的 zone_list 代表了分配策略，即内存分配时的 zone 优先级。一种内存分配往往不是只能在一个zone里进行分配的，比如分配一个页给内核使用时，最优先是从 NORMAL 里面分配，不行的话就分配 DMA 里面的好了（ HIGH 就不行，因为还没建立映射），这就是一种分配策略。

每个内存介质维护了一个 mem_map，为介质中的每一个物理页面建立了一个 page 结构与之对应，以便管理物理内存。

每个zone记录着它在 mem_map 上的起始位置。并且通过 free_area 串连着这个 zone 上空闲的 page。物理内存的分配就是从这里来的，从 free_area 上把 page 摘下，就算是分配了。（内核的内存分配与用户进程不同，用户使用内存会被内核监督，使用不当就"段错误"；而内核则无人监督，只能靠自觉，不是自己从 free_area 摘下的 page 就不要乱用。）

建立地址映射

内核需要物理内存时，很多情况是整页分配的，这在上面的 mem_map 中摘一个 page 下来就好了。比如前面说到的内核捕捉缺页异常，然后需要分配一个 page 以建立映射。

说到这里，会有一个疑问：内核在分配 page、建立地址映射的过程中，使用的是虚拟地址还是物理地址呢？

首先，内核代码所访问的地址都是虚拟地址，因为CPU指令接收的就是虚拟地址（地址映射对于CPU指令是透明的）。但是，建立地址映射时，内核在页表里面填写的内容却是物理地址，因为地址映射的目标就是要得到物理地址。

那么，内核怎么得到这个物理地址呢？其实，上面也提到了，mem_map 中的 page 就是根据物理内存来建立的，每一个 page 就对应了一个物理页。

于是我们可以说，虚拟地址的映射是靠这里 page 结构来完成的，是它们给出了最终的物理地址。然而，page 结构显然是通过虚拟地址来管理的（前面已经说过，CPU指令接收的就是虚拟地址）。那么，page 结构实现了别人的虚拟地址映射，谁又来实现 page 结构自己的虚拟地址映射呢？没人能够实现。

这就引出了前面提到的一个问题，内核空间的页表项是写死的。在内核初始化时，内核的地址空间就已经把地址映射写死了。page 结构显然存在于内核空间，所以它的地址映射问题已经通过“写死”解决了。

由于内核空间的页表项是写死的，又引出另一个问题，NORMAL（或DMA）区域的内存可能被同时映射到内核空间和用户空间。被映射到内核空间是显然的，因为这个映射已经写死了。而这些页面也可能被映射到用户空间的，在前面提到的缺页异常的场景里面就有这样的可能。映射到用户空间的页面应该优先从 HIGH 区域获取，因为这些内存被内核访问起来很不方便，拿给用户空间再合适不过了。但是 HIGH 区域可能会耗尽，或者可能因为设备上物理内存不足导致系统里面根本就没有 HIGH 区域，所以，将 NORMAL 区域映射给用户空间是必然存在的。

但是 NORMAL 区域的内存被同时映射到内核空间和用户空间并没有问题，因为如果某个页面正在被内核使用，对应的 page 应该已经从 free_area 被摘下，于是缺页异常处理代码中不会再将该页映射到用户空间。反过来也一样，被映射到用户空间的 page 自然已经从 free_area 被摘下，内核不会再去使用这个页面。

内核空间管理（图：右下）

除了对内存整页的使用，有些时候，内核也需要像用户程序使用 malloc 一样，分配一块任意大小的空间。这个功能是由 slab 系统来实现的。

slab 相当于为内核中常用的一些结构体对象建立了对象池，比如对应 task 结构的池、对应 mm 结构的池、等等。

而 slab 也维护有通用的对象池，比如"32字节大小"的对象池、"64字节大小"的对象池、等等。内核中常用的 kmalloc 函数（类似于用户态的malloc）就是在这些通用的对象池中实现分配的。

slab除了对象实际使用的内存空间外，还有其对应的控制结构。有两种组织方式：如果对象较大，则控制结构使用专门的页面来保存；如果对象较小，控制结构与对象空间使用相同的页面。

除了slab，linux 2.6 还引入了mempool（内存池）。其意图是：某些对象我们不希望它会因为内存不足而分配失败，于是我们预先分配若干个，放在 mempool 中存起来。正常情况下，分配对象时是不会去动 mempool 里面的资源的，照常通过 slab 去分配。当系统内存紧缺，已经无法通过 slab 分配内存时，才会使用 mempool 中的内容。

页面换入换出（图：左上 & 图：右上）

页面换入换出又是一个很复杂的系统。内存页面被换出到磁盘，与磁盘文件被映射到内存，是很相似的两个过程（内存页被换出到磁盘的动机，就是今后还要从磁盘将其载回内存）。所以 swap 复用了文件子系统的一些机制。

页面换入换出是一件很费CPU和IO的事情，但是由于内存昂贵这一历史原因，我们只好拿磁盘来扩展内存。但是现在内存越来越便宜了，我们可以轻松安装数G的内存，然后将 swap 系统关闭。于是 swap 的实现实在让人难有探索的欲望，在这里就不赘述了。

用户空间内存管理

malloc是libc的库函数，用户程序一般通过它（或类似函数）来分配内存空间。

libc对内存的分配有两种途径：一是调整堆的大小，二是mmap一个新的虚拟内存区域（堆也是一个vma）。

在内核中，堆是一个一端固定、一端可伸缩的vma（图：左中）。可伸缩的一端通过系统调用 brk 来调整。libc 管理着堆的空间，用户调用 malloc 分配内存时，libc 尽量从现有的堆中去分配。如果堆空间不够，则通过 brk 增大堆空间。

当用户将已分配的空间 free 时，libc 可能会通过 brk 减小堆空间。但是堆空间增大容易减小却难，考虑这样一种情况，用户空间连续分配了10块内存，前9块已经free。这时，未free的第10块哪怕只有1字节大，libc也不能够去减小堆的大小。因为堆只有一端可伸缩，并且中间不能掏空。而第10块内存就死死地占据着堆可伸缩的那一端，堆的大小没法减小，相关资源也没法归还内核。

当用户 malloc 一块很大的内存时，libc 会通过 mmap 系统调用映射一个新的vma。因为对于堆的大小调整和空间管理还是比较麻烦的，重新建一个 vma 会更方便（上面提到的free的问题也是原因之一）。

那么为什么不总是在 malloc 的时候去 mmap 一个新的 vma 呢？

第一，对于小空间的分配与回收，被 libc 管理的堆空间已经能够满足需要，不必每次都去进行系统调用。 并且 vma 是以 page 为单位的，最小就是分配一个页；

第二，太多的vma会降低系统性能。缺页异常、vma 的新建与销毁、堆空间的大小调整、等等情况下，都需要对 vma 进行操作，需要在当前进程的所有 vma 中找到需要被操作的那个（或那些）vma。vma 数目太多，必然导致性能下降。（在进程的 vma 较少时，内核采用链表来管理 vma；vma 较多时，改用红黑树来管理。）

用户的栈

与堆一样，栈也是一个vma（图：左中），这个vma是一端固定、一端可伸（注意，不能缩）的。这个vma比较特殊，没有类似 brk 的系统调用让这个 vma 伸展，它是自动伸展的。

当用户访问的虚拟地址越过这个 vma 时，内核会在处理缺页异常的时候将自动将这个 vma增大。内核会检查当时的栈寄存器（如：ESP），访问的虚拟地址不能超过 ESP加n（n为CPU压栈指令一次性压栈的最大字节数）。也就是说，内核是以ESP为基准来检查访问是否越界。

但是，ESP的值是可以由用户态程序自由读写的，用户程序如果调整ESP，将栈划得很大很大怎么办呢？内核中有一套关于进程限制的配置，其中就有栈大小的配置，栈只能这么大，再大就出错。

对于一个进程来说，栈一般是可以被伸展得比较大（如：8MB）。然而对于线程呢？
首先线程的栈是怎么回事？前面说过，线程的 mm 是共享其父进程的。虽然栈是mm中的一个vma，但是线程不能与其父进程共用这个vma（两个运行实体显然不用共用一个栈）。于是，在线程创建时，线程库通过mmap新建了一个vma，以此作为线程的栈（大于一般为：2M）。

可见，线程的栈在某种意义上并不是真正栈，它是一个固定的区域，并且容量很有限。

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