記憶體管理 Linux內核使用段頁式記憶體管理方式。 記憶體池 物理頁：物理空閑記憶體被劃分為固定大小（4k）的頁 記憶體池：所有空閑物理頁組成記憶體池，以頁為單位進行分配回收。並通過點陣圖記錄了每個物理頁是否空閑，點陣圖下標對應物理頁號。 分頁記憶體管理 虛擬頁：進程虛地址空間被劃分為固定大小（4k）的頁 分頁記憶體 ...
記憶體管理
Linux內核使用段頁式記憶體管理方式。
- 記憶體池
物理頁：物理空閑記憶體被劃分為固定大小（4k）的頁
記憶體池：所有空閑物理頁組成記憶體池，以頁為單位進行分配回收。並通過點陣圖記錄了每個物理頁是否空閑，點陣圖下標對應物理頁號。
- 分頁記憶體管理
虛擬頁：進程虛地址空間被劃分為固定大小（4k）的頁
分頁記憶體管理：通過頁目錄和頁表維護進程虛擬頁號到物理頁號的映射。設置好頁目錄、頁表之後，虛擬地址到物理地址之間的轉換通過記憶體管理單元（MMU）自動完成轉換。若訪問的虛擬頁沒有實際分配物理頁，則放生缺頁中斷，內核會為其分配物理頁。
- 分段記憶體管理
分段：進程虛地址空間被劃分為多個邏輯段，代碼段、數據段、棧段等，每個段有一個段號。進程代碼不直接使用虛擬地址，而是段號+段內偏移的二維邏輯地址。
分段記憶體管理：通過段表維護每個段的信息，段表項包括段基址和段限長。設置好段表之後，段號+段內偏移二維邏輯地址到虛擬線性地址的轉換由MMU單元自動完成。
- 相關代碼文件
page.s：僅包含記憶體缺頁中斷處理程式
memory.c：記憶體管理的核心文件，用於記憶體池的初始化操作、頁目錄和頁表的管理和內核其他部分對記憶體的申請處理過程。
物理記憶體管理
除去以被內核占用的記憶體外，剩餘為占用記憶體會使用記憶體池進行管理，用於動態的分配和回收。
記憶體池初始化
mem_init初始化空閑記憶體。將空閑記憶體劃分為4k大小頁，併在點陣圖mem_map中標記為空閑。點陣圖中還包含物理頁的引用計數，支持記憶體共用機制。
void mem_init(long start_mem, long end_mem)
{
int i;
HIGH_MEMORY = end_mem;
# 在點陣圖中，設置所有頁面為占用狀態
for (i=0 ; i<PAGING_PAGES ; i++)
mem_map[i] = USED;
# 在點陣圖中，將內核未使用的空閑頁面設置為空閑狀態，start_mem為空閑記憶體起始地址
i = MAP_NR(start_mem); // 主記憶體區起始位置處頁面號
end_mem -= start_mem;
end_mem >>= 12; // 主記憶體區中的總頁面數
while (end_mem-->0)
mem_map[i++]=0; // 主記憶體區頁面對應位元組值清零
}
記憶體分配回收
內核代碼通過get_free_page和free_page函數分配和回收物理記憶體頁。
- 分配
get_free_page函數用於分配物理頁。在點陣圖中查找空閑物理頁，並標記為占用，然後返回一個空閑的頁物理地址。
// 不要陷入代碼細節
unsigned long get_free_page(void)
{
register unsigned long __res asm("ax");
__asm__("std ; repne ; scasb\n\t" // 置方向位，al(0)與對應每個頁面的(di)內容比較
"jne 1f\n\t" // 如果沒有等於0的位元組，則跳轉結束(返回0).
"movb $1,1(%%edi)\n\t" // 1 => [1+edi],將對應頁面記憶體映像bit位置1.
"sall $12,%%ecx\n\t" // 頁面數*4k = 相對頁面其實地址
"addl %2,%%ecx\n\t" // 再加上低端記憶體地址，得頁面實際物理起始地址
"movl %%ecx,%%edx\n\t" // 將頁面實際其實地址->edx寄存器。
"movl $1024,%%ecx\n\t" // 寄存器ecx置計數值1024
"leal 4092(%%edx),%%edi\n\t" // 將4092+edx的位置->dei（該頁面的末端地址）
"rep ; stosl\n\t" // 將edi所指記憶體清零(反方向，即將該頁面清零)
"movl %%edx,%%eax\n" // 將頁面起始地址->eax（返回值）
"1:"
:"=a" (__res)
:"0" (0),"i" (LOW_MEM),"c" (PAGING_PAGES),
"D" (mem_map+PAGING_PAGES-1)
);
return __res; // 返回空閑物理頁面地址(若無空閑頁面則返回0).
}
- 回收
free_page函數用於釋放物理頁。釋放物理地址addr處的物理頁，併在點陣圖中標記為未占用狀態。
void free_page(unsigned long addr)
{
// 判斷地址是否在合法範圍內
if (addr < LOW_MEM) return;
if (addr >= HIGH_MEMORY)
panic("trying to free nonexistent page");
addr -= LOW_MEM;
addr >>= 12;
if (mem_map[addr]--) return;
mem_map[addr]=0;
panic("trying to free free page");
}
分頁記憶體管理
- 多級頁表
多級頁表用於實現虛擬頁到物理頁的映射，進程基於多級頁表管理其占用的物理記憶體頁。
使用單級頁表實現虛擬頁到物理頁的映射會浪費較多的記憶體空間，將單級頁表劃分為固定的大小（4k）的頁表，並使用頁目錄登記頁表，從而實現兩級頁表，進一步可實現多級頁表。使用多級頁表的好處在於節省空閑頁表占用的記憶體空間，當4k大小頁表沒有頁項使用時，可以不為其申請記憶體空間。
- 線性虛擬地址翻譯
線性地址可以劃分為頁目錄項、頁表項、頁內偏移。
頁目錄項：作為下標訪問頁目錄表項，表項記錄頁表信息
頁表項：作為下標訪問頁表項，也表項記錄物理頁信息
頁內偏移：作為物理頁內偏移訪問具體的物理地址單元
- 複製頁表
copy_page_tables函數用於複製當前進程的頁目錄和頁表。首先會申請記憶體作為頁目錄和也表的存儲空間，然後進行複製，複製後的兩個進程的目標共用實際物理記憶體。fork新進程程時，會調用該函數為新進程從原進程複製頁表。
int copy_page_tables(unsigned long from,unsigned long to,long size)
{
unsigned long * from_page_table;
unsigned long * to_page_table;
unsigned long this_page;
unsigned long * from_dir, * to_dir;
unsigned long nr;
if ((from&0x3fffff) || (to&0x3fffff))
panic("copy_page_tables called with wrong alignment");
from_dir = (unsigned long *) ((from>>20) & 0xffc); /* _pg_dir = 0 */
to_dir = (unsigned long *) ((to>>20) & 0xffc);
size = ((unsigned) (size+0x3fffff)) >> 22;
// 第一層迴圈處理頁目錄
for( ; size-->0 ; from_dir++,to_dir++) {
if (1 & *to_dir)
panic("copy_page_tables: already exist");
if (!(1 & *from_dir))
continue;
from_page_table = (unsigned long *) (0xfffff000 & *from_dir);
if (!(to_page_table = (unsigned long *) get_free_page()))
return -1; /* Out of memory, see freeing */
*to_dir = ((unsigned long) to_page_table) | 7;
nr = (from==0)?0xA0:1024;
// 第二層迴圈處理頁表
for ( ; nr-- > 0 ; from_page_table++,to_page_table++) {
this_page = *from_page_table;
if (!(1 & this_page))
continue;
this_page &= ~2;
*to_page_table = this_page;
if (this_page > LOW_MEM) {
*from_page_table = this_page;
this_page -= LOW_MEM;
this_page >>= 12;
mem_map[this_page]++; //增加物理頁引用計數
}
}
}
invalidate();
return 0;
}
- 分配物理頁
put_page函數為指定虛擬頁分配物理頁，併在頁表中登記映射關係。
//為進程虛頁分配分配物理頁，主要過程
//1. 調用get_free_page分配一個物理頁
//2. 調用put_page在頁表中修改頁項，建立虛頁到物理頁的映射
void get_empty_page(unsigned long address)
{
unsigned long tmp;
// 如果不能取得有一空閑頁面，或者不能將所取頁面放置到指定地址處，則顯示記憶體不夠信息。
if (!(tmp=get_free_page()) || !put_page(tmp,address)) {
free_page(tmp); /* 0 is ok - ignored */
oom();
}
}
//將物理頁映射到地址address中
unsigned long put_page(unsigned long page,unsigned long address)
{
unsigned long tmp, *page_table;
/* NOTE !!! This uses the fact that _pg_dir=0 */
if (page < LOW_MEM || page >= HIGH_MEMORY)
printk("Trying to put page %p at %p\n",page,address);
if (mem_map[(page-LOW_MEM)>>12] != 1)
printk("mem_map disagrees with %p at %p\n",page,address);
page_table = (unsigned long *) ((address>>20) & 0xffc);
if ((*page_table)&1)
page_table = (unsigned long *) (0xfffff000 & *page_table);
else {
if (!(tmp=get_free_page()))
return 0;
*page_table = tmp|7;
page_table = (unsigned long *) tmp;
}
page_table[(address>>12) & 0x3ff] = page | 7; //登記頁表項
/* no need for invalidate */
return page;
}
- 釋放物理頁
free_page_tables函數釋放連續一到多個虛擬頁，並修改頁表。
int free_page_tables(unsigned long from,unsigned long size)
{
unsigned long *pg_table;
unsigned long * dir, nr;
if (from & 0x3fffff)
panic("free_page_tables called with wrong alignment");
if (!from)
panic("Trying to free up swapper memory space");
size = (size + 0x3fffff) >> 22;
dir = (unsigned long *) ((from>>20) & 0xffc); /* _pg_dir = 0 */
for ( ; size-->0 ; dir++) {
if (!(1 & *dir))
continue;
pg_table = (unsigned long *) (0xfffff000 & *dir); // 取頁表地址
for (nr=0 ; nr<1024 ; nr++) {
if (1 & *pg_table) // 若該項有效，則釋放對應頁。
free_page(0xfffff000 & *pg_table);
*pg_table = 0; // 該頁表項內容清零。
pg_table++; // 指向頁表中下一項。
}
free_page(0xfffff000 & *dir); // 釋放該頁表所占記憶體頁面。
*dir = 0; // 對應頁表的目錄項清零
}
invalidate(); // 刷新頁變換高速緩衝。
return 0;
}
分段記憶體管理
虛擬記憶體被劃分為多個邏輯段，代碼段、只讀數據段等，不同數據段的屬性不同，方便管理和保護安全。
全局描述符表（GDT）和局部描述符表（LDT）用於記錄段信息，包含段基址和段限長等。GDT用於記錄內核使用的各種數據段，僅有一個；LDT用於記錄進程使用的各種數據段，一個進程對應一個。
寄存器GDTR和LDTR分別用於存儲GDT首地址和當前運行進程的LDT首地址。運行於用戶態時，地址翻譯使用LDTR寄存器指向的進程段表；運行於內核態時，地址翻譯使用LDTR寄存器指向的內核段表。
段頁式記憶體管理
前面分別介紹了分頁記憶體管理和分段記憶體管理，及兩者各自地址翻譯過程，此處總結linux段頁式記憶體翻譯的整個流程，並介紹一些相關的寄存器和TLB快表。
地址翻譯過程主要分為兩個部分：段+偏移二維邏輯地址轉化為虛擬線性地址；虛擬線性地址轉化為物理地址。第一部分翻譯過程依賴數據結構GDT或LDT，其中記錄了段信息；第二部分翻譯過程依賴頁表數據結構，記錄了虛擬頁到物理頁的映射關係，CR3寄存器存儲當前進程頁目錄地址。
-
MMU：設置好寄存器GDTR、LDTR、CR3寄存器後，MMU記憶體管理單元只懂執行地址翻譯過程。
-
TLB：多級頁表導致地址翻譯過程較慢，使用TLB快表可緩存頁表項，加快地址翻譯過程。
頁面出錯異常
缺頁或者寫時拷貝會都會引起頁面出錯異常（page_fault int14），但錯處碼不同。page_fault中斷處理函數根據出錯碼調用do_no_page處理缺頁中斷，或者調用do_wp_page處理寫時拷貝。
缺頁處理
進程訪問虛地址記憶體時，若未分配物理記憶體，將導致頁面出錯異常（page_fault int14），並調用異常處理函數do_no_page()
do_no_page將為虛擬頁分配物理頁，並從磁碟調入相應數據（若該虛頁對應磁碟數據）。
void do_no_page(unsigned long error_code,unsigned long address)
{
int nr[4];
unsigned long tmp;
unsigned long page;
int block,i;
address &= 0xfffff000;
tmp = address - current->start_code;
if (!current->executable || tmp >= current->end_data) {
get_empty_page(address);
return;
}
if (share_page(tmp))
return;
if (!(page = get_free_page()))
oom();
//執行映像文件中（外存中），讀入記憶體塊對應的數據
/* remember that 1 block is used for header */
block = 1 + tmp/BLOCK_SIZE;
for (i=0 ; i<4 ; block++,i++)
nr[i] = bmap(current->executable,block);
bread_page(page,current->executable->i_dev,nr);
//文件末尾數據可能不足一個記憶體塊，剩下的記憶體空間清0
i = tmp + 4096 - current->end_data;
tmp = page + 4096;
while (i-- > 0) {
tmp--;
*(char *)tmp = 0;
}
// 最後把引起缺頁異常的一頁物理頁面映射到指定線性地址address處。若操作成功
// 就返回。否則就釋放記憶體頁，顯示記憶體不夠。
if (put_page(page,address))
return;
free_page(page);
oom();
}
寫時拷貝
fork新進程時，父子進程共用相同的物理記憶體頁，並設置共用記憶體頁只讀。當父子進程中的一個寫共用記憶體時，將導致頁面出錯異常（page_fault int14），並調用異常處理函數do_wp_page()處理。
do_wp_page會對共用記憶體頁取消共用，並複製出一個新的記憶體頁，使用父子進程各擁有一份自己的物理頁面，可正常讀寫。
void do_wp_page(unsigned long error_code,unsigned long address)
{
#if 0
/* we cannot do this yet: the estdio library writes to code space */
/* stupid, stupid. I really want the libc.a from GNU */
if (CODE_SPACE(address))
do_exit(SIGSEGV);
#endif
// 調用上面函數un_wp_page()來處理取消頁面保護。
un_wp_page((unsigned long *)
(((address>>10) & 0xffc) + (0xfffff000 &
*((unsigned long *) ((address>>20) &0xffc)))));
}
// 取消保護頁函數
void un_wp_page(unsigned long * table_entry)
{
unsigned long old_page,new_page;
old_page = 0xfffff000 & *table_entry;
if (old_page >= LOW_MEM && mem_map[MAP_NR(old_page)]==1) {
*table_entry |= 2;
invalidate();
return;
}
if (!(new_page=get_free_page())) //分配新頁
oom();
if (old_page >= LOW_MEM)
mem_map[MAP_NR(old_page)]--;
*table_entry = new_page | 7;
invalidate();
copy_page(old_page,new_page); //複製物理頁
}
