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Linux內(nèi)核是一個(gè)開(kāi)放源代碼的操作系統(tǒng)內(nèi)核，它是由整個(gè)Linux操作系統(tǒng)的核心組成部分。Linux內(nèi)核的設(shè)計(jì)理念在于提高內(nèi)核的可讀性、可移植性和可擴(kuò)展性。其中內(nèi)存管理，尤其是虛擬內(nèi)存管理，是Linux內(nèi)核的最重要和最顯著的特性之一。Linux內(nèi)核的存儲(chǔ)器管理是如何實(shí)現(xiàn)的呢？本文將進(jìn)行探析。
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1. 內(nèi)存管理的主要任務(wù)
內(nèi)存管理是Linux操作系統(tǒng)中最重要的子系統(tǒng)之一。它的主要任務(wù)是為操作系統(tǒng)提供一個(gè)保護(hù)、共享和動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存的機(jī)制。內(nèi)存管理還負(fù)責(zé)虛擬內(nèi)存、交換空間、頁(yè)面分配以及文件系統(tǒng)緩存的管理。其工作原理如下圖所示：
2. 虛擬內(nèi)存的實(shí)現(xiàn)
虛擬內(nèi)存是現(xiàn)代操作系統(tǒng)中運(yùn)用最廣泛的內(nèi)存管理技術(shù)之一。它的核心思想就是將實(shí)際的內(nèi)存地址與虛擬地址進(jìn)行映射，使得用戶空間程序看起來(lái)好像有足夠的內(nèi)存空間來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和執(zhí)行代碼。虛擬內(nèi)存系統(tǒng)先將程序的代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在磁盤(pán)上，當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，它將數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存中，只有當(dāng)需要時(shí)，虛擬內(nèi)存系統(tǒng)才會(huì)從磁盤(pán)中讀取數(shù)據(jù)和代碼。虛擬內(nèi)存的大小取決于實(shí)際內(nèi)存和交換空間的總和。
在Linux內(nèi)核中，可以用以下主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)管理虛擬內(nèi)存：
1. 內(nèi)存管理區(qū)域(Memory Management Regions, MMRs)。 MMRs包含物理區(qū)域描述符(Physical Region Descriptors, PRDs)和邏輯區(qū)域描述符(Logical Region Descriptors, LRDs)。PRDs是對(duì)物理內(nèi)存塊的描述，LRDs是對(duì)邏輯內(nèi)存塊的描述。
2. 頁(yè)表(Page Table)。 頁(yè)表是一個(gè)機(jī)制，將虛擬地址轉(zhuǎn)換為實(shí)際物理地址。在Linux內(nèi)核中，每個(gè)進(jìn)程都有自己的頁(yè)表，頁(yè)表中包含的頁(yè)目錄嵌套(PDE)和頁(yè)表嵌套(PT)以及頁(yè)表項(xiàng)(PTE)。PDE由四個(gè)字節(jié)組成，而PT和PTE則由每個(gè)大小為四字節(jié)的元素組成。
3. 內(nèi)存映射文件頁(yè)表(File-Mapped Page Table, FMAPT)。 FMAPT跟蹤匿名映射或映射的文件的狀態(tài)。它們存儲(chǔ)了程序數(shù)據(jù)和代碼在磁盤(pán)上的映射方式以及它們?cè)趯?shí)際物理內(nèi)存中的分布情況。
3. 大頁(yè)支持
大頁(yè)支持是Linux對(duì)虛擬內(nèi)存管理的一個(gè)優(yōu)化，它允許使用大頁(yè)面減少虛擬內(nèi)存管理的開(kāi)銷，從而提高系統(tǒng)的性能。大頁(yè)面由cpu直接訪問(wèn)，它們的大小通常為2MB或4MB，是通常的進(jìn)程頁(yè)面(大小通常為4kb)的50-1000倍。
在Linux內(nèi)核中，大頁(yè)支持是通過(guò)“huge page”(巨大頁(yè))實(shí)現(xiàn)的。 由于頁(yè)面的大小較大，因此它們可以減少相應(yīng)的內(nèi)存映射和管理開(kāi)銷。此外，在采用內(nèi)存共享的環(huán)境中，大頁(yè)面可以減少內(nèi)存復(fù)制的次數(shù)。
4. 內(nèi)存壓縮
內(nèi)存壓縮是Linux內(nèi)核的存儲(chǔ)器管理的一個(gè)重要特性，它是Linux內(nèi)核的出色之處。內(nèi)存壓縮機(jī)制可以將系統(tǒng)內(nèi)存中的失效頁(yè)，通過(guò)一定的算法，壓縮到更小的物理頁(yè)上，從而減少物理頁(yè)的數(shù)量，提高物理內(nèi)存的可用性，改善系統(tǒng)性能。
在Linux內(nèi)核中，內(nèi)存壓縮被實(shí)現(xiàn)為一種軟件算法。它包括兩種類型的壓縮策略：前瞻式壓縮策略和反瞻式壓縮策略。前瞻式策略利用失效的頁(yè)面的歷史信息估算下一個(gè)可能失效的頁(yè)面，然后將該頁(yè)面壓縮到更少的物理頁(yè)上。反瞻式策略則利用位圖和鏈表來(lái)保存失效頁(yè)面的狀態(tài)，當(dāng)它們反復(fù)失效時(shí)，它將它們壓縮到一個(gè)單一的物理頁(yè)面上。
：
Linux內(nèi)核的存儲(chǔ)器管理是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，它包含許多數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法。虛擬內(nèi)存管理是Linux內(nèi)核的核心特性之一，它將程序的代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在磁盤(pán)上，只有當(dāng)需要時(shí)，虛擬內(nèi)存系統(tǒng)才會(huì)從磁盤(pán)中讀取數(shù)據(jù)和代碼。內(nèi)存管理還包括大頁(yè)支持和內(nèi)存壓縮等特性。這些特性在提高Linux的性能方面扮演著很重要的角色。
相關(guān)問(wèn)題拓展閱讀：
- Linux內(nèi)核完全剖析的目錄
Linux內(nèi)核完全剖析的目錄
序
第1章概述
1.1 Linux的誕生和發(fā)展
1.1.1 UNIX操作系統(tǒng)的誕生
1.1.2 MINIX操作系統(tǒng)
1.1.3 GNU計(jì)劃
1.1.4 POSIX標(biāo)準(zhǔn)
1.1.5 Linux操作系統(tǒng)的誕生
1.1.6 L,inux操作系統(tǒng)版本的變遷
1.1.7 Linux名稱的由來(lái)
1.1.8早期Linux系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的主要貢獻(xiàn)者
1.2內(nèi)容綜述
第2章微型計(jì)算機(jī)組成結(jié)構(gòu)
2.1微型計(jì)算機(jī)組成原理
2.2 I/O端口尋址和訪問(wèn)控制方式
2.2.1 I/O端口和尋址
2.2.2 接口訪問(wèn)控制
2.3 主存儲(chǔ)器、BIOS和CMOS
存儲(chǔ)器
2.3.1 主存儲(chǔ)器
2.3.2 基本輸入/輸出程序BIOS
2.3.3 CMOS存儲(chǔ)器
2.4 控制器和控制卡
2.4.1 中斷控制器
2.4.2 DMA控制器
2.4.3 定時(shí)/計(jì)數(shù)器
2.4.4 鍵盤(pán)控制器
2.4.5 串行控制卡
2.4.6 顯示控制
2.4.7 軟盤(pán)和硬盤(pán)控制器
第3章 內(nèi)核編程語(yǔ)言和環(huán)境
3.1 as86匯編器
3.1.1 as86匯編語(yǔ)言語(yǔ)法
3.1.2 as86匯編語(yǔ)言程序
3.1.3 as86匯編語(yǔ)言程序的編譯和
鏈接
3.1.4 as86和ld86使用方法和選項(xiàng)
3.2 GNU as匯編
3.2.1 編譯aS匯編語(yǔ)言程序
3.2.2 aS匯編語(yǔ)法
3.2.3 指令語(yǔ)句、操作數(shù)和尋址
3.2.4 區(qū)與重定位
3.2.5 符號(hào)
3.2.6 aS匯編命令
3.2.7 編寫(xiě)16位代碼
3.2.8 aS匯編器命令行選項(xiàng)
3.3 C語(yǔ)言程序
3.3.1 C程序編譯和鏈接
3.3.2 嵌入?yún)R編
3.3.3 圓括號(hào)中的組合語(yǔ)句
3.3.4 寄存器變量
3.3.5 內(nèi)聯(lián)函數(shù)
3.4 C與匯編程序的相互調(diào)用
3.4.1 C函數(shù)調(diào)用機(jī)制
3.4.2在匯編程序中調(diào)用C函數(shù)
3.4.3在C程序中調(diào)用匯編函數(shù)
3.5 Linux/0.11目標(biāo)文跡慎件格式
3.5.1 目標(biāo)文件格式
3.5.2 Linux 0.11中的目標(biāo)文件格式
3.5.3 鏈接程序輸出
3.5.4 鏈接程序預(yù)定義變量
3.5.5 System.map文件
3.6 Make程序和Makefile文件
第4章
4.1 80×86 系統(tǒng)寄存器和系統(tǒng)指令
4.1.1 標(biāo)志寄存器
4.1.2 內(nèi)存管理寄存器
4.1.3 控制寄存器
4.1.4 系統(tǒng)指令
4.2.1 內(nèi)存尋址
4.2.2 地址變換
4.2.3 保護(hù)
4.3.1 段的定義
4.3.2 段描述符表
4.3.3 段選擇符冊(cè)轎
4.3.4 段描述符
4.3.5 代碼和數(shù)據(jù)段描述符類型
4.3.6 系統(tǒng)描述符類型
4.4 分頁(yè)機(jī)制
4.4.1 頁(yè)表結(jié)構(gòu)
4.4.2 頁(yè)表項(xiàng)格式
4.4.3 虛擬存儲(chǔ)
4.5 保護(hù)
4.5.1 段級(jí)保護(hù)
4.5.2 訪問(wèn)數(shù)據(jù)段時(shí)的特權(quán)級(jí)檢查
4.5.3 代碼段之間轉(zhuǎn)移控制時(shí)的特權(quán)級(jí)
4.5.3 代碼段之間轉(zhuǎn)移控制時(shí)的特權(quán)級(jí)
4.5.4 頁(yè)級(jí)保護(hù)
4.5.5 組合頁(yè)級(jí)和段級(jí)保護(hù)
4.6.1 異常和中斷向量
4.6.2 中斷源和異常源
4.6.3 異常分類
4.6.4 程序或任務(wù)的重新執(zhí)行
4.6.5 開(kāi)啟和禁止中斷
4.6.6 異常和中斷的優(yōu)先級(jí)
4.6.7 中斷描述符表
4.6.8 IDT描述符
4.6.9 異常與中斷處理
4.6.10 中斷處理任務(wù)
4.6.11 錯(cuò)誤碼
4.7.1 任務(wù)的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)
4.7.2 任務(wù)的執(zhí)行
4.7.3 任務(wù)管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
4.7.4 任務(wù)切換
4.7.5 任務(wù)鏈
4.7.6 任務(wù)地址空間
4.8.1 進(jìn)入保護(hù)模式時(shí)的初始化操作
4.8.2 模式切換
4.9.1 多任務(wù)程序結(jié)構(gòu)和工作原理
4.9.2 引導(dǎo)啟動(dòng)程序boot.s
4.9.3 多任務(wù)內(nèi)核程序head.s
第5章
5.1 Linux內(nèi)核模式
5.2 Linux內(nèi)核系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
5.3.1 物理內(nèi)存
5.3.2 內(nèi)存地址空間概念
5.3.3 內(nèi)存分段機(jī)制
5.3.4 內(nèi)存分頁(yè)管理
5.3.5 CPU多任務(wù)和保護(hù)方式
5.3.6 虛擬地址、線性地址和物理地址
5.3.7 用戶申請(qǐng)內(nèi)存的動(dòng)態(tài)分配
5.4.1 中斷操作原理
5.4.2 80×86微機(jī)的中斷子系統(tǒng)
5.4.3 中斷向量表
5.4.4 Linux內(nèi)核的中斷處理
5.4.5 標(biāo)志寄存器的中斷標(biāo)志
5.5.1 系統(tǒng)調(diào)用接口
5.5.2 系統(tǒng)調(diào)用處理過(guò)程
5.5.3 Linux系統(tǒng)調(diào)用州州肆的參數(shù)傳遞方式
5.6.1 系統(tǒng)時(shí)間
5.6.2 系統(tǒng)定時(shí)
5.7 Linux進(jìn)程控制
5.7.1 任務(wù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（1）
5.7.1 任務(wù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（2）
5.7.2 進(jìn)程運(yùn)行狀態(tài)
5.7.3 進(jìn)程初始化
5.7.4 創(chuàng)建新進(jìn)程
5.7.5 進(jìn)程調(diào)度
5.7.6 終止進(jìn)程
5.8.1 初始化階段
5.8.2 任務(wù)的堆棧
5.8.3 任務(wù)內(nèi)核態(tài)堆棧與用戶態(tài)堆棧之
5.9 Linux 0.12采用的文件系統(tǒng)
5.10.1 內(nèi)核主目錄linux
5.10.2 引導(dǎo)啟動(dòng)程序目錄boot
5.10.3 文件系統(tǒng)目錄fs
5.10.4 頭文件主目錄include
5.10.5 內(nèi)核初始化程序目錄init
5.10.6 內(nèi)核程序主目錄kernel
5.10.7 內(nèi)核庫(kù)函數(shù)目錄lib
5.10.8 內(nèi)存管理程序目錄mm
5.10.9 編譯內(nèi)核工具程序目錄tools
5.11 內(nèi)核系統(tǒng)與應(yīng)用程序的關(guān)系
5.12.1 功能描述
5.12.2 代碼注釋
5.13 本章小結(jié)
第11章
11.1 總體功能描述
11.1.1 浮點(diǎn)數(shù)據(jù)類型（1）
11.1.1 浮點(diǎn)數(shù)據(jù)類型（2）
11.1.2 數(shù)學(xué)協(xié)處理器功能和結(jié)構(gòu)
11.2.1 功能描述
11.2.2 代碼注釋
第14章
14.1 include/目錄下的文件
14.2.1 功能描述
14.2.2 代碼注釋
14.2.3 a.out執(zhí)行文件格式
14.3 const.h文件
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