《Linux内核深度解析》--内存管理

dirty

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本帖最后由 dirty 于 2025-1-5 13:24 编辑

本篇梳理阅读笔记学习内存管理章节。

内存管理架构

内存管理架构分为用户空间、内核空间和硬件三个层面。

用户空间

应用程序使用malloc()申请内存，使用free()释放内存。这个是我们很熟悉经常用到的，通常是配对使用。

内核空间

内核空间的基本功能

虚拟内存管理负责从进程的虚拟地址空间分配虚拟页，sys_brk用来扩大或收缩堆，sys_mmap用来在内存映射区域分配虚拟页，sys_munmap用来释放虚拟页。内核使用延迟分配物理内存的策略。页分配器负责分配物理页，当前使用的页分配器是伙伴分配器。内核空间提供了把页划分成小内存块分配的块分配器，提供分配内存的接口kmaloc()和释放内存的接口 kfree()，支持3种块分配器:SLAB分配器、SLUB分配器和SLOP分配器。

内核空间的扩展功能

不连续页分配器提供了分配内存的接口vmalloc和释放内存的接口vfee，在内存碎片化的时候，申请连续物理页的成功率很低，可以申请不连续的物理页，映射到连续的虚页，即虚拟地址连续而物理地址不连续。

硬件层面
处理器包含一个称为内存管理单元(Memory ManagementUnit，MMU)的部件，负责把虚拟地址转换成物理地址。

内存映射
内存映射是在进程的虚拟地址空间中创建一个映射，分为以下两种。通常把文件映射的物理页称为文件页，把匿名映射的物理页称为匿名页。

●文件映射:文件支持的内存映射，把文件的一个区间映射到进程的虚拟地址空间，数据源是存储设备上的文件。

●匿名映射:没有文件支持的内存映射，把物理内存映射到进程的虚拟地址空间，没有数据源。

内存映射的原理如下。

①创建内存映射的时候，在进程的用户虚拟地址空间中分配一个虚拟内存区域。

②Linux内核采用延迟分配物理内存的策略，在进程第一次访问虚拟页的时候，产生缺页异常。如果是文件映射，那么分配物理页，把文件指定区间的数据读到物理页中，然后在页表中把虚拟页映射到物理页;如果是匿名映射，那么分配物理页，然后在页表中把虚拟页映射到物理页。

内存管理子系统提供了以下常用的系统调用。

(1)mmap()用来创建内存映射。

(2)mremap()用来扩大或缩小已经存在的内存映射，可能同时移动。

(3)munmap()用来删除内存映射。

(4)brk()用来设置堆的上界。

(5)remap_file_pages()用来创建非线性的文件映射。

(6)mprotect()用来设置虚拟内存区域的访问权限。

(7)madvise()用来向内核提出内存使用的建议，应用程序告诉内核期望怎样使用指定的虚拟内存区域，以便内核可以选择合适的预读和缓存技术。

在内核空间中可以使用以下两个函数。
(1)remap_pf_range把内存的物理页映射到进程的虚拟地址空间，这个函数的用处是实现进程和内核共享内存。

(2)io_remap_pfrange把外设寄存器的物理地址映射到进程的虚拟地址空间，进程可以直接访问外设寄存器。

书籍这一章讲了差不多三百页，内存管理底层这块讲的也比较详细，面面俱到去梳理学习还是有些浩繁，有需要部分可以作为参考书籍重点查阅。作为Linux应用，了解下用户空间使用以及内核空间、硬件层面的基本原理会加深对Linux内核的理解，当然，经常用得到的内存管理方面API还是应该熟记、熟用。

应用

下面是mmap、munmap内存映射创建与解除应用代码。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <string.h>

int main() {
    int fd;
    struct stat sb;
    char *map, *p;
    int i;
    char c;

    // 打开文件
    fd = open("try.txt", O_RDWR);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 获取文件大小
    if (fstat(fd, &sb) == -1) {
        perror("fstat");
        close(fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 将文件映射到内存
    map = mmap(NULL, sb.st_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (map == MAP_FAILED) {
        perror("mmap");
        close(fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("mmap 将文件映射到内存 OK\r\n");
    // 关闭文件描述符，因为文件已经映射到内存
    close(fd);

    // 处理文件内容（例如，将所有字母转换为大写）
    p = map;
    for (i = 0; i < sb.st_size; i++) {
        c = *p;
        if (c >= 'a' && c <= 'z') {
            *p = c - 'a' + 'A';
        }
        p++;
    }

    printf("将所有字母转换为大写完成\r\n");

    // 解除映射
    if (munmap(map, sb.st_size) == -1) {
        perror("munmap");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("munmap 解除映射 OK\r\n");
    return 0;
}

下面是运行情况，可以看到写入前文本小写字母转为大写字母，内存映射创建与解除均成功。

本篇对内存管理有了初步梳理学习并小试牛刀，主要是学以致用，活学活用，有所取舍，后面继续学习与分享。

Jacktang

Linux内核的内存管理本身就是比较复杂的玄学

dirty

Jacktang 发表于 2025-1-6 07:35 Linux内核的内存管理本身就是比较复杂的玄学

是会有些复杂

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