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linux虛擬存儲(chǔ)軟件：優(yōu)化存儲(chǔ)空間，提高系統(tǒng)效率
目前成都創(chuàng)新互聯(lián)已為成百上千的企業(yè)提供了網(wǎng)站建設(shè)、域名、網(wǎng)頁(yè)空間、網(wǎng)站運(yùn)營(yíng)、企業(yè)網(wǎng)站設(shè)計(jì)、望都網(wǎng)站維護(hù)等服務(wù)，公司將堅(jiān)持客戶(hù)導(dǎo)向、應(yīng)用為本的策略，正道將秉承"和諧、參與、激情"的文化，與客戶(hù)和合作伙伴齊心協(xié)力一起成長(zhǎng)，共同發(fā)展。
Linux操作系統(tǒng)是目前更受歡迎的操作系統(tǒng)之一。它被廣泛用于企業(yè)級(jí)服務(wù)器和桌面計(jì)算機(jī)，因?yàn)樗陌踩院涂煽啃?。同時(shí)，Linux還有利于虛擬化和云計(jì)算，使用戶(hù)能夠更好地管理和部署他們的資源。為了提高系統(tǒng)效率，提高存儲(chǔ)空間，Linux虛擬存儲(chǔ)軟件在這方面發(fā)揮了重要作用。
虛擬存儲(chǔ)是一種將物理內(nèi)存和硬盤(pán)空間組合在一起使用的技術(shù)。虛擬存儲(chǔ)能夠?qū)?yīng)用程序的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在主存（內(nèi)存）中，當(dāng)內(nèi)存不足時(shí)，可以將不用的數(shù)據(jù)移動(dòng)到硬盤(pán)上。通常，這是在磁盤(pán)上創(chuàng)建一個(gè)交換文件、交換分區(qū)或交換卷。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)存不足時(shí)，操作系統(tǒng)將把不再使用的內(nèi)存頁(yè)交換到磁盤(pán)上，從而釋放可用內(nèi)存。
Linux操作系統(tǒng)利用虛擬存儲(chǔ)來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)效率和存儲(chǔ)空間。在Linux中，有多種虛擬存儲(chǔ)選項(xiàng)。其中，使用磁盤(pán)分區(qū)作為交換分區(qū)是更受歡迎的選擇之一。當(dāng)然，這種方法的缺點(diǎn)就是分區(qū)大小是固定的，并且無(wú)法更改。這一限制可能會(huì)導(dǎo)致磁盤(pán)空間不足或浪費(fèi)空間的問(wèn)題。因此，Linux用戶(hù)也可以選擇使用交換文件來(lái)擴(kuò)展系統(tǒng)內(nèi)存。
與交換分區(qū)不同，交換文件的大小是可以調(diào)整的。這意味著Linux用戶(hù)可以根據(jù)他們的需求隨時(shí)增加或減少交換文件的大小。這種方法不僅可以?xún)?yōu)化存儲(chǔ)空間，還可以?xún)?yōu)化系統(tǒng)效率。優(yōu)化系統(tǒng)效率的方式之一是定期清理過(guò)期數(shù)據(jù)。Linux用戶(hù)可以使用腳本或工具定期清理磁盤(pán)上的過(guò)期交換文件。這將確保系統(tǒng)資源得到合理利用，避免浪費(fèi)空間和降低系統(tǒng)的效率。
同時(shí)，Linux用戶(hù)還可以使用Linux虛擬內(nèi)存管理軟件來(lái)管理他們的虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)。這些軟件提供了一種更高級(jí)別的控制和管理。例如，一些虛擬內(nèi)存管理軟件可以自動(dòng)編輯和刪除過(guò)期的交換文件，從而確保系統(tǒng)的效率和可靠性。此外，這些管理軟件還可以檢測(cè)磁盤(pán)狀況，以及診斷和修復(fù)磁盤(pán)故障。
虛擬存儲(chǔ)是一種很有用的技術(shù)，可以?xún)?yōu)化Linux系統(tǒng)效率和存儲(chǔ)空間。因此，Linux用戶(hù)應(yīng)該學(xué)習(xí)如何使用虛擬存儲(chǔ)，以便更好地管理他們的資源。通過(guò)選擇正確的虛擬存儲(chǔ)選項(xiàng)，定期清理磁盤(pán)上的過(guò)期數(shù)據(jù)和使用虛擬內(nèi)存管理軟件，Linux用戶(hù)可以確保系統(tǒng)的效率和可靠性，并獲得更好的系統(tǒng)性能和資源利用率。
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linux為什么主要采用分頁(yè)機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)管理
1 分頁(yè)機(jī)制
在虛擬內(nèi)存中，頁(yè)表是個(gè)映射表的概念, 即從進(jìn)程能理解的線(xiàn)性地址(linear address)映射到存儲(chǔ)器上的物理地址(phisical address).
很顯然，這個(gè)頁(yè)表是需要常駐內(nèi)存的東西, 以應(yīng)對(duì)頻繁的查詢(xún)映射需要(實(shí)際上，現(xiàn)代支持VM的處理器都有一個(gè)叫TLB的硬件級(jí)頁(yè)表緩存部件，本文不討論）。
1.1 為什么使用多級(jí)頁(yè)表來(lái)完成映射
但是為什么要使用多級(jí)頁(yè)表來(lái)升顫完成映射呢?
用來(lái)將虛擬地址映射到物理地址的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)稱(chēng)為頁(yè)表, 實(shí)現(xiàn)兩個(gè)地址空間的關(guān)聯(lián)最容易的方式是使用數(shù)組, 對(duì)虛擬地址空間中的每一頁(yè), 都分配一個(gè)數(shù)組項(xiàng). 該數(shù)組指向與之關(guān)聯(lián)的頁(yè)幀, 但這會(huì)引發(fā)一個(gè)問(wèn)題, 例如, IA-32體系結(jié)構(gòu)使用4KB大小的頁(yè), 在虛擬地址空間為4GB的前提下, 則需要包含100萬(wàn)項(xiàng)的頁(yè)表. 這個(gè)問(wèn)題在64位體系結(jié)構(gòu)下, 情況會(huì)更加糟糕. 而每個(gè)進(jìn)程都需要自身的頁(yè)表, 這回導(dǎo)致系統(tǒng)中大量的所有內(nèi)存都用來(lái)保存頁(yè)表.
設(shè)想一個(gè)典型的32位的X86系統(tǒng)，它的虛擬內(nèi)存用戶(hù)空間(user space)大小為3G, 并且典型的一個(gè)頁(yè)表項(xiàng)(page table entry, pte)大小為4 bytes，每一個(gè)頁(yè)(page)大小為4k bytes。那么這3G空間一共有(3G/4k=)786432個(gè)頁(yè)面，每個(gè)頁(yè)面需要一個(gè)pte來(lái)保存映射信息，這樣一共需要786432個(gè)pte!
如何存儲(chǔ)這些信息呢？一個(gè)直觀的做法是用數(shù)組來(lái)存儲(chǔ)，這樣每個(gè)頁(yè)能存儲(chǔ)(4k/4=)1K個(gè)，這樣一共需要(786432/1k=)768個(gè)連續(xù)的物理頁(yè)面(phsical page)。而且，這只是一個(gè)進(jìn)程，如果要存放所有N個(gè)進(jìn)程，這個(gè)數(shù)目還要乘上N! 這是個(gè)巨大的數(shù)目，哪怕內(nèi)存能提供這樣數(shù)量的空間，要找到連續(xù)768個(gè)連續(xù)的物理頁(yè)面在系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后碎片化的情況下，也是不現(xiàn)實(shí)的。
為減少頁(yè)表的大小并容許忽略不需要的區(qū)域, 計(jì)算迅脊機(jī)體系結(jié)構(gòu)的涉及會(huì)將虛擬地址分成多個(gè)部分. 同時(shí)虛擬地址空間的大部分們區(qū)域都沒(méi)有使用, 因而頁(yè)沒(méi)有關(guān)聯(lián)到頁(yè)幀, 那么就可以使用功能相同但內(nèi)存用量少的多的模型: 多級(jí)頁(yè)表
但是新的問(wèn)題來(lái)了, 到底采用幾級(jí)頁(yè)表合適呢?
1.2 32位系統(tǒng)中2級(jí)頁(yè)表
從80386開(kāi)始, intel處理器的分頁(yè)單元是4KB的頁(yè)吵昌敗, 32位的地址空間被分為3部分
單元
描述
頁(yè)目錄表Directory 更高10位
頁(yè)中間表Table 中間10位
頁(yè)內(nèi)偏移 更低12位
即頁(yè)表被劃分為頁(yè)目錄表Directory和頁(yè)中間表Tabl兩個(gè)部分
此種情況下, 線(xiàn)性地址的轉(zhuǎn)換分為兩步完成.
之一步, 基于兩級(jí)轉(zhuǎn)換表(頁(yè)目錄表和頁(yè)中間表), 最終查找到地址所在的頁(yè)幀
第二步, 基于偏移, 在所在的頁(yè)幀中查找到對(duì)應(yīng)偏移的物理地址
使用這種二級(jí)頁(yè)表可以有效的減少每個(gè)進(jìn)程頁(yè)表所需的RAM的數(shù)量. 如果使用簡(jiǎn)單的一級(jí)頁(yè)表, 那將需要高達(dá)220個(gè)頁(yè)表, 假設(shè)每項(xiàng)4B, 則共需要占用220?4B=4MB的RAM來(lái)表示每個(gè)進(jìn)程的頁(yè)表. 當(dāng)然我們并不需要映射所有的線(xiàn)性地址空間(32位機(jī)器上線(xiàn)性地址空間為4GB), 內(nèi)核通常只為進(jìn)程實(shí)際使用的那些虛擬內(nèi)存區(qū)請(qǐng)求頁(yè)表來(lái)減少內(nèi)存使用量.
1.3 64位系統(tǒng)中的分頁(yè)
正常來(lái)說(shuō), 對(duì)于32位的系統(tǒng)兩級(jí)頁(yè)表已經(jīng)足夠了, 但是對(duì)于64位系統(tǒng)的計(jì)算機(jī), 這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠.
首先假設(shè)一個(gè)大小為4KB的標(biāo)準(zhǔn)頁(yè). 因?yàn)?KB覆蓋210個(gè)地址的范圍, 4KB覆蓋212個(gè)地址, 所以offset字段需要12位.
這樣線(xiàn)性地址空間就剩下64-12=52位分配給頁(yè)中間表Table和頁(yè)目錄表Directory. 如果我們現(xiàn)在決定僅僅使用64位中的48位來(lái)尋址(這個(gè)限制其實(shí)已經(jīng)足夠了, 2^48=256TB, 即可達(dá)到256TB的尋址空間). 剩下的48-12=36位被分配給Table和Directory字段. 即使我們現(xiàn)在決定位兩個(gè)字段各預(yù)留18位, 那么每個(gè)進(jìn)程的頁(yè)目錄和頁(yè)表都包含218個(gè)項(xiàng), 即超過(guò)256000個(gè)項(xiàng).
基于這個(gè)原因, 所有64位處理器的硬件分頁(yè)系統(tǒng)都使用了額外的分頁(yè)級(jí)別. 使用的級(jí)別取決于處理器的類(lèi)型
平臺(tái)名稱(chēng)
頁(yè)大小
尋址所使用的位數(shù)
分頁(yè)級(jí)別數(shù)
線(xiàn)性地址分級(jí)
alpha 8KB 10 + 10 + 10 +
iaKB 9 + 9 + 9 +
ppcKB 10 + 10 + 9 +
shKB 10 + 10 + 9 +
x86_KB 9 + 9 + 9 + 9 + 12
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