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      Linux培訓
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      嵌入式Linux內存管理的知識點總結

      • 發布:Linux培訓
      • 來源:Linux教程
      • 時間:2021-03-24 11:56

      感覺這個內存管理的知識點還真的需要專門的去理解一下,今天我們一起來學習學習。要求

      1.不涉及linux內核的匯編知識,僅C語言層面解析

      1.回答:匯編主要處理的是寄存器地址(包括內容)的計算,進行一部分的地址轉換工作(當然,它是重要的);C語言處理了極大部分的系統內存管理工作。

      2.虛擬地址、線性地址、物理地址三者映射關系

      回答:

      1.虛擬地址:程序員(在縮小范圍估計是:應用程序員)直接看到的

      2.線性地址:操作系統控制

      3.物理地址:CPU內存地址(或者外部內存)

      3.總結一點:虛擬地址通過段管理機制首先變換成一種中間地址形式--cpu32位的線性地址,然后使用分頁管理機制將此地址映射到物理地址。

      例子解析:

      一個變量定義在一個進程里面,在程序中使用&操作符獲取的地址(估計是偏移地址),將怎么映射呢?(或者它是什么地址,在進程中的位置如何)

      1. 回答:因為,程序使用的都是虛擬地址,所以程序員拿到的變量地址是虛擬地址(它是經過編譯器處理過的,并由系統指映射線性地址,分配物理內存的)。

      2. 同時,一個變量的地址(虛擬地址)是不會改變的(只要程序代碼不改變,或者不在編譯),但是,改變運行(不同的時間,相隔一段時間在運行的話),物理地址是會改變的。正是因為操作系統的內存管理作用(線性地址映射到物理地址,是一個動態的過程)。

      malloc函數從調用、分配到返回的過程是?

      1. 回答:函數調用系統函數,系統函數進入了內核態,引起中斷(或其他,異常處理等工作),操作系統得知需要額外的增長空間以提供使用,所以使用分頁機制來映射到可以使用的物理地址(沒有有用數據,或不被映射),從而使得虛擬地址有了真實的物理地址映射管理,可以正常使用了。

      2. malloc實際上,并不是用戶調用malloc后馬上對物理地址與虛擬地址之間進行映射,只有在用戶對申請的內存空間進行讀寫異常操作才會發生映射。(具體看《注釋》的13.1.6需求加載機制),總結一句:在實際需要時才加載執行文件中頁面的方式。

      頁表和頁目錄表存放位置(所處的系統空間)是?

      1. 回答:系統初始化過程中,主動往物理內存填寫頁表信息。這就是我們操作系統需要做的事情,填寫和修改表的程序代碼的編寫。

      線性地址轉物理地址是誰來做呢?

      1. 回答:設置好頁表信息后,CPU每次訪問內存都通過MMU來查表并轉換出物理地址。是硬件自動操作。

      所謂的內存(物理內存,或物理地址,或物理空間)是指?

      1. 回答:就是內存,RAM(rw),而磁盤(或者是其他的硬盤性質的存儲介質)是作為程序或數據存儲的空間,它并不參與到與CPU的指令(數據)傳輸,而是先將它自己的數據放到內存(也就是RAM,物理內存里面),再由內存和CPU之間處理。

      只是作為一個例子,讓我們假定您的程序正在訪問地址為 629 的內存。不過,虛擬內存系統不需要將其存儲在位置為 629 的 RAM 中。實際上,它甚至可以不在 RAM 中 —— 如果物理 RAM 已經滿了,它甚至可能已經被轉移到硬盤上!由于這類地址不必反映內存所在的物理位置,所以它們被稱為虛擬內存。操作系統維持著一個虛擬地址到物理地址的轉換的表,以便計算機硬件可以正確地響應地址請求。并且,如果地址在硬盤上而不是在 RAM 中,那么操作系統將暫時停止您的進程,將其他內存轉存到硬盤中,從硬盤上加載被請求的內存, 然后再重新啟動您的進程。這樣,每個進程都獲得了自己可以使用的地址空間,可以訪問比您物理上安裝的內存更多的內存。

      一個進程被創建,linux系統肯定是分配給他一個0的虛擬地址?

      回答:對的,每個進程空間的0x00虛擬地址開始的線性區都會被映射到一個用戶態沒有權限訪問的頁上,通過這樣的映射,內核可以保證沒有別的頁會映射到這個區域。

      如同IBM:內存管理的內幕提及到的,malloc內部的系統調用函數,也就是實現malloc的內部算法

      1. 在mallo從內部使用映射函數(系統調用),brk()和mmap():鏈接1

      為什么進程創建后,子進程會繼承父進程的一部分信息呢?

      1. 回答:子進程實際上的父進程的一個拷貝,共同擁有相同的物理頁面,為了節約空間,子進程以只讀方式共享父進程的物理頁面(同時父進程也把它自己設置為只讀方式),任意一方進行寫操作,就會出現異常(之后就是內核處理異常)。總結一句:這樣可以避免不必要的內存頁面復制的開銷。

      對CPU的內存管理(MMU)和linux系統的內存管理兩者的理解:

      上面的一段話,其實是告訴我們:在CPU提供MMU的情況下(也就是分段、分頁機制),首先是分段機制做第一步的虛擬地址到線性地址轉換,然后由操作系統實現(這就是意味著linux系統會有大量的內存管理代碼的實現方法)分頁機制(同時選擇CPU某一引腳來決定是否采用分頁機制),直到進程的虛擬地址映射到可用的物理地址上面。

      這意味著,從虛擬地址到物理地址的轉換情況如下:

      至于虛擬內存的哪個頁面映射到物理內存的哪個頁幀,這是通過頁表(Page Table)來描述的,頁表保存在物理內存中,MMU會查找頁表來確定一個虛擬地址應該映射到什么物理地址。總結一下這個過程:

      1. 在操作系統初始化或者分配、釋放內存時,會執行一些指令在物理內存中填寫頁表,然后用指令設置MMU,告訴MMU頁表在物理內存中的什么位置。

      2. 設置好之后, CPU每次執行訪問內存的指令都會自動引發MMU做查表和地址轉換的操作,地址轉換操作完全由硬件完成,不需要用指令控制MMU去做。

      MMU除了提供地址轉換機制之外,還提供內存保護機制,解析如下:

      1. 用戶模式和特權(也就是內核)模式的區分

      2. 設置每個內存頁面的訪問權限(讀、寫、執行)

      1. 注意:物理內存本身是不限制訪問的,正是MMU的內存保護機制的作用

      具體的處理過程如下:

      這樣設定好之后,當CPU要訪問一個VA時, MMU會檢查CPU當前處于用戶模式還是特權模式,訪問內存的目的是讀數據、寫數據還是取指令,如果和操作系統設定的頁面權限相符,就允許訪問,把它轉換成PA,否則不允許訪問,產生一個異常(Exception)。

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