【Linux系统】分页式存储管理

分页式存储管理

1、虚拟地址和页表的由来

思考一下，如果在没有虚拟内存和分页机制的情况下，每一个用户程序在物理内存上所对应的空间必须是连续的，如下图：

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因为每一个程序的代码、数据长度都是不一样的，按照这样的映射方式，物理内存将会被分割成各种离散的、大小不同的块。经过一段运行时间之后，有些程序会退出，那么它们占据的物理内存空间可以被回收，导致这些物理内存都是以很多碎片的形式存在。

怎么办呢？我们希望操作系统提供给用户的空间必须是连续的，但是物理内存最好不要连续。 此时虚拟内存和分页便出现了，如下图所示：

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把物理内存按照一个固定的长度的页框进行分割，有时叫做物理页。每个页框包含一个物理页 (page) 。一个页的大小等于页框的大小。大多数32位体系结构支持4KB的页，而64位体系结构一般会支持8KB的页。区分一页和一个页框是很重要的：

• 页框是一个存储区域；
• 页是一个数据块，可以存放在任何页框或磁盘中。
  
  

有了这种机制，CPU便并非是直接访问物理内存地址，而是通过虚拟地址空间来间接的访问物理内存地址。所谓的虚拟地址空间，是操作系统为每一个正在执行的进程分配的一个逻辑地址，在32位机上，其范围从0 ~ 4G-1。

操作系统通过将虚拟地址空间和物理内存地址之间建立映射关系，也就是页表，这张表上记录了每一对页和页框的映射关系，能让CPU间接的访问物理内存地址。

总结一下，其思想是将虚拟内存下的逻辑地址空间分为若干页，将物理内存空间分为若干页框，通过页表便能把连续的虚拟内存，映射到若干个不连续的物理内存页。这样就解决了使用连续的物理内存造成的碎片问题。

2、物理内存管理

假设一个可用的物理内存有 4GB 的空间。按照一个页框的大小 4KB进行划分，4GB的空间就是4GB / 4KB = 1048576个页框。有这么多的物理页，操作系统肯定是要将其管理起来的，操作系统需要知道哪些页正在被使用，哪些页空闲等等。

struct page结构

内核用struct page结构表示系统中的每个物理页，出于节省内存的考虑，struct page中使用了大量的联合体union。

struct page
{
	// ....
};

其中比较重要的几个参数：

1、flags：用来存放页的状态。这些状态包括页是不是脏的，是不是被锁定在内存中等。flag的每一位单独表示一种状态，所以它至少可以同时表示出32种不同的状态。这些标志定义在<linux/page-flags.h>中。其中一些比特位非常重要，如PG_locked用于指定页是否锁定，PG_uptodate用于表示页的数据已经从块设备读取并且没有出现错误。

#define 未使用 (1<<0)
#define 正在使用 (1<<1)
#define 被锁定在内存中 (1<<2)
....

2、_mapcount：表示在页表中有多少项指向该页，也就是这一页被引用了多少次。当计数值变为-1时，就说明当前内核并没有引用这一页，于是在新的分配中就可以使用它。

3、virtual：是页的虚拟地址。通常情况下，它就是页在虚拟内存中的地址。有些内存（即所谓的高端内存）并不永久地映射到内核地址空间上。在这种情况下，这个域的值为NULL，需要的时候，必须动态地映射这些页。

page 结构管理数组

在 Linux 内核中实际上存在一个这样的数组 struct page mem_map[N] ，用该数组将每个页结构组织管理起来，将对页结构的管理转换为对数组这样的数据结构的增删查改工作。

在数组中，每个 page 结构都有自己的下标，而每个下标和page的地址可以相互转换：

• 物理地址 = 下标 * 4KB
• 下标 = 物理地址 / 4KB

既然 page 是用于描述物理内存的，则可以理解成：只要找到了 page，page 有下标，就等同于找到了物理内存!!

因此我们之前学习的：文件缓冲区，其实就是一个 page 的列表！！！

page 结构的内存存储

要注意的是struct page与物理页相关，而并非与虚拟页相关。而系统中的每个物理页都要分配一个这样的结构体，让我们来算算对所有这些页都这么做，到底要消耗掉多少内存。

假设struct page占 40 个字节的内存吧，假定系统的物理页为 4KB 大小，系统有 4GB 物理内存。那么系统中共有页面1048576个（1兆个），所以描述这么多页面的page结构体消耗的内存只不过 40MB，相对系统 4GB 内存而言，仅是很小的一部分罢了。因此，要管理系统中这么多物理页面，这个代价并不算太大。

要知道的是，页的大小对于内存利用和系统开销来说非常重要，页太大，页页必然会剩余较大不能利用的空间ÿ