4.8 实例研究： Linux 虚拟存储管理

1. 4.8实例研究：Linux虚拟存储管理 • 4.8.1 Linux存储管理概述 • 4.8.2 进程的虚拟地址空间 • 4.8.3 Linux物理内存空间的管理 • 4.8.4 用户态内存的申请与释放 • 4.8.5 内存的共享和保护 • 4.8.6 交换空间、页面的换出和调入 • 4.8.7 缓冲机制

2. 4.8.1Linux虚拟存储管理概述(1) • Linux用户进程可访问4GB线性地址空间。从0从3GB的虚拟内存地址是用户空间。 • 3GB到4GB的虚拟内存地址是内核态空间，存放仅供内核态访问的代码和数据。

3. Linux虚拟存储管理概述(2) 页表分为三层： •页目录PGD、中间页目录PMD和页表PTE。 •Pentium计算机上被简化成两层，PGD和PMD合二为一。 •每个进程有一个页目录，存储该进程所使用的内存页面情况

4. Linux虚拟存储管理概述(3) 使用fork()创建进程时，分配内存页面的情况： • 进程控制块1页；内核态堆栈1页；页目录1页；页表若干页。 使用exec()系统调用时，分配内存页面的情况： • 可执行文件的第1页；用户堆栈的1页或几页。

5. 4．8．2Linux进程的虚拟地址空间 • 进程虚拟地址空间由许多个连续虚地址区域构成，采用虚存段vma及其链表来表示。 • 一个vma是某个进程的一段连续虚存空间，这段虚存里的所有单元拥有相同特征，如属于同一进程、相同的访问权限、同时被锁定、同时受保护。

6. 数据结构vm_area_struct描述(1) struct vm_area_struct{ struct mm-struct *vm_mm;/*虚存段参数*/ unsigned long vm_start;/*虚存段始*/ unsigned long vm_end;/*虚存段末址*/ pgprot_t vm_page_prot; unsigned short vm_flags;

7. 数据结构vm_area_struct描述(2) /*按地址分叉的vma的AVL树*／ shrot vm_avl_height; struct vm_area_struct *vm_avl_left; struct vm_area_struct *vm_avl_right; /*按地址分叉的vma链接指针*／ struct vm_area_struct *vm_next; /*或是在一个结点区双向环链表中，或在共享内存区映射表中，或未用*／ struct vm_area_struct *vm_next_share; struct vm_area_struct *vm_prev_share; /*用于共享内存*／

8. 数据结构vm_area_struct描述(3) struct vm_operations_struct vm_ops; ／*封装的操作如open， close*／ unsigned long vm_offset;/*相对文件中共享内存起点的位移*／ struct inode *vm_inode; /*指向文件inode 或NULL*／ unsigned long vm_pte; };

9. 进程任务结构 task_struct 内存管理结构 mm_struct 虚存段结构 vm_area_struct vm_struct mmap vm_next pgd vm_op 页目录表pgd vm_area_struct vm_next vm_area_struct *open *close *swapout ． ． m m 页表PTE 页表PTE 页框PF 页框PF 进程虚存管理数据结构

10. 4.8.3Linux物理内存空间的管理 • 物理内存以页框为单位，长度为4KB。 • 对物理内存的管理通过mem_map表描述， • men-map是由men-map-t组成的数组，每个men-map-t描述一个物理页框。

11. typedef struct page主要内容 • page前后向链接指针 • page页cache和ha指针 • page访问进程的计数 • page状态位和修改标记 • 页帧内存放代码或数据所属文件的inode • 页帧年龄，越小越先换出 • 页帧作为缓冲区，则指示地址 • 页帧在mem_map表中的下标

12. mem_map_t free_area bitmap next 0 ptev map 每位对应20页 1页 1页 每位对应21页 next 1 ptev map 每位对应22页 2页 2页 。 。 next 2 ptev map 4页 4页 ． ． ． bitmap与free-area的关系

13. 页面分配和回收(1) • 所有的空闲物理页帧组织成NR_MEM_LISTS的双向链表，存储在free_area数组中。每个链表节点的包括三个数据向：next和prev是链表指针，map指向bitmap表。

14. 页面分配和回收(2) • 采用buddy算法分配空闲块。当请求分配长度为2i个页帧的块时，从free_area数组的第i条链表开始受搜索，如找不到，搜索第i+1条链表，以此类推。 • 如果找到的空闲块正好等于需求，直接把它从来链表中删除，返回首地址。如果找到的空闲块大于需求，则需要把它一分为二，前半部分插入前一条链表，取后半部分。如果还大，则继续对分，取一半留一半，直至相等。同时，bitmap表页必须相应调整

15. 页面分配和回收(3) • 回收空闲块时，根据bitmap表中的对应组，判断回收块的前后是否为空闲块。若是则合并，并调整bitmap表对应位，从free_area的相应空闲链表中取下该空闲块并归还。这是一个递归过程，直到找不到空闲块邻居，将最大的空闲块插入free_area的相应空闲链表。

16. 4.8.4用户态内存的申请与释放(1) • 用户进程使用vmalloc（）和vfree()函数申请和释放大块存储空间，分配的存储空间在进程的虚地址空间中是连续的，但它对应的物理页框仍需缺页中断后，由缺页中断处理例程分配，所分配的页框也不是连续的。

17. 用户态内存的申请与释放(2) • vmalloc( )和vfree( )函数，其执行如下：申请时需给出申请的长度，调用set-vm-area内部函数向vmlist索取虚存空间。如果申请成功，将会在vmlist中插入一个vm-struct结构，并返回首地址，当申请到虚地址空间后更改页目录和页表。

18. 用户态内存的申请与释放(3) • 释放时需给出虚拟空间首地址，沿着vmlist搜索要释放的区域，找到表示该虚拟内存块的vm-struct结构，并从vmlist表中删除，同时清除与释放虚存空间有关的目录项和页表项。

19. 4．8．5内存的共享和保护(1) • 内存共享以页共享的方式实现，共享该页的各个进程的页表项直接指向共享页，这种共享不需建立共享页表，节省内存，但效率较低。当共享页状态发生变化时，共享该页的各进程页表均需修改，要多次访问页表。

20. 内存的共享和保护(2) • 对进程的虚拟地址加锁或保护，实质是对vma段的vm_flags属性与VM_LOCKED进行或操作。 • 虚存加锁后，对应的物理页框驻留内存，不再被页面置换程序换出。 • 加锁操作有4种：对指定的一段虚拟空间加锁或解锁；对进程所有的虚拟空间加锁或解锁。

21. 内存的共享和保护(3) • 对进程的虚拟地址空间实施保护操作是对vma段的vm_flags重置PROT_READ、PROT_WRITE和PROT_EXEC参数，并重新设定vm_page_prot属性。同时，对虚拟地址范围内所有页表项的访问权限也做调整，保护操作由系统调用mprotect实施。

22. 4.8.6交换空间、页面换出和调入 1、交换空间 • Linux采用两种方式保存换出页面。一是使用块设备，如硬盘的一个分区，称作交换设备 • 另一种是使用文件系统的一个文件，称作交换文件。两者统称为交换空间。

23. 交换设备和交换文件的内部格式(1) • 前4096个字节是以字符串“SWAP_SPACE”结尾的位图。位图的每位对应一个交换空间的页面，置位表示对应的页面可用于换页操作。 • 第4096字节后是存放换出页面的空间。每个交换空间最多可以容纳（4096-10）*8-1=32687个页面，最多允许管理MAX_SWAPFILES（缺省值为8）个交换空间。

24. 交换设备和交换文件的内部格式(2) • 交换设备中，属于同一页面的数据总是连续存放的，第一个数据块地址一经确定，后续的数据块可按顺序读出或写入。 • 交换文件中，同一页面的数据虽然逻辑上是连续的，但实际的物理存储是零散的，交换这样的页面，必须多次访问磁盘扇区，意味着磁头的反复移动、寻道时间的增加和效率的降低。

25. 2 页交换进程和页面换出(1) • 当物理页面不够用时，存储管理必须释放部分物理页面，把它们的内容写到交换空间。内核态交换线程kswapd完成这项功能。 • Kswapd不仅能够把页面换出到交换空间，也能保证系统中有足够的空闲页面以保持存储管理系统高效的运行。

26. 页交换进程和页面换出(2) • Kswapd在系统初启时由init创建，调用init_swap_timer()函数设定，并转入睡眠。 • 每隔10ms响应函数swap_tick()被周期性激活，它察看系统中空闲页面是否太少，依次从三条途径缩减物理页面： (1)缩减page cache和buffer cache； (2)换出SYSTEM V共享内存占用页面； (3)换出或丢弃进程占用页面。

27. 3 缺页中断和页面换入(1) • 当进程访问了一个还没有有效页表项的虚拟地址时，处理器将产生缺页中断，通知操作系统，并把缺页的虚拟地址（保存在CR2寄存器中）和缺页时访问虚存的模式一并传给缺页中断处理程序。

28. 缺页中断和页面换入(2) • 根据控制寄存器CR2传递的缺页地址，必须找到表示出现缺页的虚拟存储区的vm_area_struct结构，如果没有找到，说明进程访问了非法存储区，系统发出信号告知进程出错。 • 系统检测缺页时访问模式是否合法，如果进程对该页的访问超越权限，系统也将发出信号，通知进程的存储访问出错。

29. 缺页中断和页面换入(3) • 通过以上两步检查，可以确定缺页中断是否合法，进而进程进一步通过页表项中的位P来区分缺页对应的页面是在交换空间（P=0且页表项非空）还是在磁盘中某一执行文件映像的一部分。最后进行页面调入操作。

30. 4．8．7缓冲机制 虚存管理的缓冲机制主要包括： • kmalloc cache • swap cache • page cache

31. 1 swap cache(1) • 如果被调出到交换空间的页面由于进程再次访问而调入物理内存，只要该页面调入后未被修改过，它的内容与交换空间中内容是一样的，交换空间中的备份是有效的。该页再度换出时，就不要执行写操作。 • 采用swap-cache表描述的swap cache来实现这种思想。swap cache实质上是关于页表项的一个列表。

32. swap cache(2) • 每一物理页框都在swap-cache中占有一个表项，表项的总数就是物理页框总数。 • 若该页框内容是新创建的；或虽曾换出过；但换出后，该页框已被修改过时，则该表项清0。 • 内容非0的表项，正好是某个进程的页表项，描述了页面在交换空间中的位置。 • 当一个物理页框调出到交换空间时，它先查swap cache。如果其中有与该面对应有效的页表项，那就不需要将该页写出，因为原有空间中内容与待换出的页面是一致的。

33. 2 page cache(1) • 页缓冲的作用是加快对磁盘文件的访问速度。文件被映射到内存中，每次读取一页，而这些页就保存到page cache中，用hash表page-hash-table来访问page cache，它是指向由page类型节点组成的链表指针。

34. page cache(2) • 每当需要读取文件一页时，总是先通过page cache读取。如果所需页面就在其中，就通过指向表示该页面的mem-map-t的指针；否则必须从申请一个页框，再将该页从磁盘文件中调入。

35. 3 kmalloc cache • 进程可用kmalloc（）和kfree（）函数向系统申请较小的内存块，而这两个函数共同维护了一个称作kmalloc cache的缓冲区，其主要目的是加快释放物理内存的速度。