第16章Linux內(nèi)存管理機(jī)制PPT課件

1、1linux操作系統(tǒng)精講操作系統(tǒng)精講大連理工大學(xué)軟件學(xué)院大連理工大學(xué)軟件學(xué)院 邱鐵邱鐵 綜合樓綜合樓413，tel_mail: 參考教材：參考教材：plinux應(yīng)用與開發(fā)典型實(shí)例精講應(yīng)用與開發(fā)典型實(shí)例精講邱鐵、于玉龍、邱鐵、于玉龍、徐子川編著徐子川編著. 清華大學(xué)出版社清華大學(xué)出版社. 2010.52第第16章章 內(nèi)存管理內(nèi)存管理學(xué)習(xí)本章要達(dá)到的目標(biāo)：學(xué)習(xí)本章要達(dá)到的目標(biāo)：o結(jié)合操作系統(tǒng)原理課程，深入理解結(jié)合操作系統(tǒng)原理課程，深入理解linux系系統(tǒng)物理內(nèi)存管理機(jī)制；統(tǒng)物理內(nèi)存管理機(jī)制；o理解伙伴算法和理解伙伴算法和slab分配器的工作原理；分配器的工作原理；o熟

2、悉操作系統(tǒng)提供的有關(guān)內(nèi)存管理的內(nèi)核函數(shù)；熟悉操作系統(tǒng)提供的有關(guān)內(nèi)存管理的內(nèi)核函數(shù)；o學(xué)會(huì)在學(xué)會(huì)在linux內(nèi)核態(tài)下申請(qǐng)內(nèi)存空間的方法。內(nèi)核態(tài)下申請(qǐng)內(nèi)存空間的方法。316.1 關(guān)于關(guān)于linux的內(nèi)存管理的內(nèi)存管理在在linux系統(tǒng)中對(duì)物理內(nèi)存的管理系統(tǒng)中對(duì)物理內(nèi)存的管理主要涉及主要涉及o頁面管理頁面管理o連續(xù)內(nèi)存區(qū)管理連續(xù)內(nèi)存區(qū)管理o非連續(xù)存儲(chǔ)區(qū)管理非連續(xù)存儲(chǔ)區(qū)管理 4 linux物理內(nèi)存管理方式物理內(nèi)存管理方式 516.1.1 動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)管理動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)管理o一部分永久地分配給系統(tǒng)，作為內(nèi)核代碼段一部分永久地分配給系統(tǒng)，作為內(nèi)核代碼段和只讀數(shù)據(jù)段的載體，用來存放內(nèi)核程序代和只讀數(shù)據(jù)段的載體，用來存

3、放內(nèi)核程序代碼以及靜態(tài)數(shù)據(jù)，這部分稱為操作系統(tǒng)的靜碼以及靜態(tài)數(shù)據(jù)，這部分稱為操作系統(tǒng)的靜態(tài)存儲(chǔ)器（態(tài)存儲(chǔ)器（static memory）。）。o其它部分，則在其它部分，則在linux的管理下，進(jìn)行內(nèi)存的管理下，進(jìn)行內(nèi)存的動(dòng)態(tài)申請(qǐng)和釋放，稱為動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的動(dòng)態(tài)申請(qǐng)和釋放，稱為動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器（dynamic memory）。）。 616.1.2 頁面管理頁面管理olinux采用頁作為內(nèi)存管理的基本單位，其采用頁作為內(nèi)存管理的基本單位，其采用的標(biāo)準(zhǔn)的頁面大小為采用的標(biāo)準(zhǔn)的頁面大小為4kbo因?yàn)橐驗(yàn)?kb是大多數(shù)磁盤塊大小的倍數(shù)，傳是大多數(shù)磁盤塊大小的倍數(shù)，傳輸效率高，管理方便，無需考慮輸效率高，管理方便，

4、無需考慮pse，pae 7o內(nèi)核使用頁描述符來跟蹤管理物理內(nèi)存，每?jī)?nèi)核使用頁描述符來跟蹤管理物理內(nèi)存，每個(gè)物理頁面都用一個(gè)頁描述符表示個(gè)物理頁面都用一個(gè)頁描述符表示o頁描述符用頁描述符用struct page的結(jié)構(gòu)描述，所的結(jié)構(gòu)描述，所有物理頁面的描述符，組織在有物理頁面的描述符，組織在mem_map的數(shù)組中，的數(shù)組中，page結(jié)構(gòu)則是對(duì)物理頁面進(jìn)行結(jié)構(gòu)則是對(duì)物理頁面進(jìn)行描述的一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述的一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 8mem_map數(shù)組與物理內(nèi)存的對(duì)應(yīng)關(guān)系數(shù)組與物理內(nèi)存的對(duì)應(yīng)關(guān)系 9olinux采用著名的伙伴（采用著名的伙伴（buddy）算法來）算法來解決內(nèi)存碎片問題。解決內(nèi)存碎片問題。o伙伴算法把所

5、有的空閑頁面分為伙伴算法把所有的空閑頁面分為10個(gè)頁塊個(gè)頁塊鏈表，每個(gè)鏈表中的一個(gè)塊含有鏈表，每個(gè)鏈表中的一個(gè)塊含有2的冪次個(gè)的冪次個(gè)頁面（叫做頁面（叫做“頁塊頁塊”或簡(jiǎn)稱或簡(jiǎn)稱“塊塊” ）o實(shí)例具體分析參見教材實(shí)例具體分析參見教材linux應(yīng)用與開發(fā)應(yīng)用與開發(fā)典型實(shí)例精講典型實(shí)例精講第第256頁頁10伙伴算法伙伴算法實(shí)例1116.1.3 slab分配模式分配模式o在在linux系統(tǒng)中所用到的對(duì)象如系統(tǒng)中所用到的對(duì)象如inode、task_struct等，經(jīng)常會(huì)涉及到大量對(duì)象等，經(jīng)常會(huì)涉及到大量對(duì)象的重復(fù)生成、使用和釋放問題。的重復(fù)生成、使用和釋放問題。 o這些對(duì)象在生成時(shí)，所包括的成員屬性值

6、都這些對(duì)象在生成時(shí)，所包括的成員屬性值都賦成確定的數(shù)值，并且在使用完畢，釋放結(jié)賦成確定的數(shù)值，并且在使用完畢，釋放結(jié)構(gòu)前，屬性又恢復(fù)為未使用前的狀態(tài)。構(gòu)前，屬性又恢復(fù)為未使用前的狀態(tài)。 12linux的的slab內(nèi)存分配模式的基本思想內(nèi)存分配模式的基本思想o能夠用合適的方法使得在對(duì)象前后兩次被使能夠用合適的方法使得在對(duì)象前后兩次被使用時(shí)，在同一塊內(nèi)存，或同一類內(nèi)存空間，用時(shí)，在同一塊內(nèi)存，或同一類內(nèi)存空間，且保留了基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，就可以大大提高且保留了基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，就可以大大提高效率。效率。131416.2 linux的內(nèi)存管理函數(shù)的內(nèi)存管理函數(shù)ovmalloc()是內(nèi)核可以用來分配連續(xù)虛存

7、，是內(nèi)核可以用來分配連續(xù)虛存，但非連續(xù)物理內(nèi)存的方法。但非連續(xù)物理內(nèi)存的方法。 okmalloc分配在物理上連續(xù)的內(nèi)存分配在物理上連續(xù)的內(nèi)存,這些內(nèi)這些內(nèi)存是實(shí)際上存在的存是實(shí)際上存在的,并且是連續(xù)的并且是連續(xù)的,根據(jù)根據(jù) slab塊進(jìn)行分配。塊進(jìn)行分配。 1516.3 實(shí)例訓(xùn)練與分析實(shí)例訓(xùn)練與分析o在用戶空間用在用戶空間用valloc/malloc分配內(nèi)存分配內(nèi)存o在內(nèi)核空間用在內(nèi)核空間用kmalloc/vmalloc分配內(nèi)分配內(nèi)存存 1616.3.1 在用戶空間用在用戶空間用valloc/malloc分配內(nèi)存分配內(nèi)存o實(shí)現(xiàn)用實(shí)現(xiàn)用valloc申請(qǐng)申請(qǐng)1mb內(nèi)存單元內(nèi)存單元o程序退出時(shí)釋放。

8、程序退出時(shí)釋放。 17實(shí)例源碼實(shí)例源碼o#define a_megabyte 1024*1024oint main() ochar *some_memery;o int megabyte=a_megabyte;o int exit_code=exit_failure;osome_memery=(char*)valloc(megabyte); /* 申請(qǐng)內(nèi)存申請(qǐng)內(nèi)存 */o if(some_memery!=null)osprintf(some_memery,hello world!n); /* 將字符串寫入將字符串寫入 some_memery 所所 o 指向內(nèi)存指向內(nèi)存 */oprintf(%s

9、,some_memery);ofree(some_memery); /* 釋放內(nèi)存釋放內(nèi)存 */oprintf(memery is free!n);o exit_code=exit_success;o oexit(exit_code);o18運(yùn)行結(jié)果運(yùn)行結(jié)果1916.3.2 在內(nèi)核空間用在內(nèi)核空間用kmalloc/vmalloc分配內(nèi)存分配內(nèi)存編寫編寫mem_kv.c模塊文件實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際內(nèi)存與虛擬內(nèi)模塊文件實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際內(nèi)存與虛擬內(nèi)存的分配：存的分配：o#define mem_malloc_size 4096/申請(qǐng)內(nèi)存的大小申請(qǐng)內(nèi)存的大小o#define mem_major 252/主設(shè)主設(shè)備號(hào)備號(hào)

10、o#define mem_minor_k 0/次設(shè)次設(shè)備號(hào)：實(shí)存?zhèn)涮?hào)：實(shí)存o#define mem_minor_v 1/次設(shè)次設(shè)備號(hào)：虛存?zhèn)涮?hào)：虛存ochar *mem_spkm, *mem_spvm;/定義定義實(shí)存、虛存指針實(shí)存、虛存指針ostruct cdev *mem_cdev;20o/*設(shè)備文件結(jié)構(gòu)體選項(xiàng)設(shè)備文件結(jié)構(gòu)體選項(xiàng) */ostruct file_operations mem_fops = oo.open = mem_open,/打開打開o.release = mem_release, /釋放釋放o.read = mem_read,/讀操作讀操作o.write = mem_wri

11、te,/寫操作寫操作o; 21o將將mem_spkm指向內(nèi)核實(shí)際內(nèi)指向內(nèi)核實(shí)際內(nèi)存空間，將存空間，將mem_spvm指指向內(nèi)核虛擬內(nèi)存向內(nèi)核虛擬內(nèi)存空間，并將其加空間，并將其加載進(jìn)內(nèi)核設(shè)備文載進(jìn)內(nèi)核設(shè)備文件系統(tǒng)中。件系統(tǒng)中。 22o刪除設(shè)備結(jié)構(gòu)，刪除設(shè)備結(jié)構(gòu)，將將mem_spkm所指向的內(nèi)核所指向的內(nèi)核實(shí)際內(nèi)存空間實(shí)際內(nèi)存空間釋放掉，將釋放掉，將mem_spvm所指向內(nèi)核虛所指向內(nèi)核虛擬內(nèi)存空間釋擬內(nèi)存空間釋放掉。放掉。 void _exit mem_exit(void)if (mem_cdev != null)cdev_del(mem_cdev);/刪除設(shè)備結(jié)構(gòu)printk(kern_inf

12、ocdev_del okn);if (mem_spkm != null)kfree(mem_spkm);/釋放實(shí)存空間printk(kern_infokfree ok!n);if (mem_spvm != null)vfree(mem_spvm);/釋放虛存空間printk(kern_infovfree ok!n);23int mem_open(struct inode *ind, struct file *filp)if (iminor(ind) % 2) = 0)/獲取次設(shè)備號(hào)printk(kern_infoopen kmalloc spacen);elseprintk(kern_info

13、open vmalloc spacen);try_module_get(this_module); /模塊計(jì)數(shù)加1return 0;24ssize_t mem_read(struct file *filp, char *buf, size_t size, loff_t *lofp)int res = -1;char *tmp;struct inode *inodep;inodep = filp-f_dentry-d_inode;if (iminor(inodep) % 2) = 0)/獲取次設(shè)備號(hào)tmp = mem_spkm;elsetmp = mem_spvm;if (size mem_ma

14、lloc_size)size = mem_malloc_size;if (tmp != null)res = copy_to_user(buf, tmp, size);/將內(nèi)核空間的內(nèi)存內(nèi)容復(fù)制到用戶空間if (res = 0)return size;elsereturn 0;25#setupenv.shmakeecho make successfully!insmod mem_kv.ko # 插入模塊# 建立主設(shè)備號(hào)為252，次設(shè)備號(hào)為0的設(shè)備文件掛載點(diǎn)：/dev/myalloc0ls /dev/myalloc0 | mknod /dev/myalloc0 c 252 0 & ech

15、o /dev/myalloc0 was caeated successfully!chmod 666 /dev/myalloc0# 建立主設(shè)備號(hào)為252，次設(shè)備號(hào)為1的設(shè)備文件掛載點(diǎn)：/dev/myalloc1ls /dev/myalloc1 | mknod /dev/myalloc1 c 252 1 & echo /dev/myalloc1 was caeated successfully!chmod 666 /dev/myalloc12627o編寫編寫mem_test.c文件文件 o實(shí)例源碼參見教材實(shí)例源碼參見教材linux應(yīng)用與開發(fā)典型應(yīng)用與開發(fā)典型實(shí)例精講實(shí)例精講第第264頁頁

16、28讀寫的內(nèi)存為用讀寫的內(nèi)存為用kmalloc()申請(qǐng)的實(shí)際申請(qǐng)的實(shí)際內(nèi)存內(nèi)存 29讀寫的內(nèi)存為用讀寫的內(nèi)存為用vmalloc()申請(qǐng)的虛擬申請(qǐng)的虛擬內(nèi)存內(nèi)存 30思考與練習(xí)思考與練習(xí)o1. 在在linux操作系統(tǒng)中，頁面管理、內(nèi)存操作系統(tǒng)中，頁面管理、內(nèi)存區(qū)管理、非連續(xù)存儲(chǔ)區(qū)管理之間的關(guān)系是怎區(qū)管理、非連續(xù)存儲(chǔ)區(qū)管理之間的關(guān)系是怎樣的？樣的？o2linux操作系統(tǒng)對(duì)物理內(nèi)存的管理方式操作系統(tǒng)對(duì)物理內(nèi)存的管理方式有哪幾種，各使用了什么算法？有哪幾種，各使用了什么算法？o3動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)管理有哪些優(yōu)點(diǎn)？動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)管理有哪些優(yōu)點(diǎn)？o4linux采用頁面作為內(nèi)存管理的基本單采用頁面作為內(nèi)存管理的基本單位，采用的標(biāo)準(zhǔn)的頁面大小為位，采用的標(biāo)準(zhǔn)的頁面大小為4kb，為什，為什么取此值？么取此值？31思考與練習(xí)思考與練習(xí)o5linux解決內(nèi)存碎片問題