第三章:内存管理

内存管理框架

​ 内存管理子系统的架构如下图所示，分为用户空间、内核空间和硬件 3 个层面。

内存管理框架

用户空间

​ 应用程序使用 malloc() 申请内存，使用 free() 释放内存。

​ malloc() 和 free() 是 glibc 库的内存分配器 ptmalloc 提供的接口， ptmalloc 使用系统调用 brk 或 mmap 向内 核以页为单位申请内存 ， 然后划分成小内存块分配给应用程序。

内核空间

​ （1）内核空间的基本功能

​ 虚拟内存管理负责从进程的虚拟地址空间分配虚拟页， sys_brk 用来扩大或收缩堆， sys_mmap 用来在内存映射区域分配虚拟页， sys_munmap 用来释放虚拟页。

​ 内核使用延迟分配物理内存的策略，进程第 1 次访问虚拟页的时候，触发页错误异常，页错误异常处理程序从页分配器申请物理页，在进程的页表中把虚拟页映射到物理页。

​ 内存分配的函数调用

​ 页分配器负责分配物理页，当前使用的页分配器是伙伴分配器。

​ 内核空间提供了把页划分成小内存块分配的块分配器，提供分配内存的接口 kmalloc() 和释放内存的接口 kfree(), 支持 3 种块分配器： SLAB 分配器、 SLUB 分配器和 SLOB 分配器。

​ 在内核初始化的过程中，页分配器还没准备好，需要使用临时的引导内存分配器分配内存。

​ （2）内核空间的扩展功能

​ 不连续页分配器提供了分配内 存的接口 vmalloc 和释放内存的接口 vfree, 在内存碎片化的时候，申请连续物理页的成功率很低，可以申请不连续的物理页，映射到连续的虚拟页，即虚拟地址连续而物理地址不连续。

​ **连续内存分配器 (Contiguous Memory Allocator, CMA) **用来给驱动程序预留一段连续的内存，当驱动程序不用的时候，可以给进程使用；当驱动程序需要使用的时候，把进程占用的内存通过回收或迁移的方式让出来，给驱动程序使用。

​ 当内存碎片化的时候，找不到连续的物理页，内存碎片整理(“memory compaction” 的意译，直译为“内存紧缩＂）通过迁移的方式得到连续的物理页。

​ 在内存不足的时候，页回收负责回收物理页，对于没有后备存储设备支持的匿名页， 把数据换出到交换区，然后释放物理页；对于有后备存储设备支待的文件页，把数据写回存储设备，然后释放物理页。如果页回收失败，使用最后一招：内存耗尽杀手 (OOM killer, Out-of-Memory killer), 选择进程杀掉。

硬件层面

​ 处理器包含一个称为内存管理单元 (Memory Management Unit, MMU) 的部件，负责把虚拟地址转换成物理地址。

​ 内存管理单元包含一个称为**页表缓存 (Translation Lookaside Buffer, TLB) **的部件， 保存最近使用过的页表映射，避免每次把虚拟地址转换成物理地址都需要查询内存中的页表。

​ 为了解决处理器的执行速度和内存的访问速度不匹配的问题，在处理器和内存之间增加了缓存。缓存通常分为 一级缓存和二级缓存，为了支持并行地取指令和取数据，一级缓存分为数据缓存和指令缓存。

虚拟地址空间布局

虚拟地址空间划分

​ 因为目前应用程序没有那么大的内存需求，所以 ARM64 处理器不支持完全的 64 位虚 拟地址，实际支持情况如下。

​ （1）虚拟地址的最大宽度是 48 位，如图所示。高 16 位是全 1 或全 0 的地址称为规范的地址，两者之间是不规范的地址，不允许使用。

48位虚拟地址空间划分

​ （2）如果处理器实现了 ARMv8.2 标准的大虚拟地址 (Large Virtual Address, LVA) 支持，并且页长度是 64KB, 那么虚拟地址的最大宽度是 52 位。

​ 所有进程共享内核虚拟地址空间，每个进程有独立的用户虚拟地址空间，同一个线程组的用户线程共享用户虚拟地址空间，内核线程没有用户虚拟地址空间。

用户虚拟地址空间布局

​ 用户进程虚拟地址空间包括以下区域。

  1. 代码段、 数据段和未初始化的数据段。
  2. 动态库的代码段、数据段和未初始化的数据段。
  3. 存放动态生成的数据的堆。
  4. 存放局部变量和函数调用的栈。
  5. 存放在栈底部的环境变量和参数字符串。
  6. 把文件区间映射到虚拟地址空间的内存映射区域。

​ 进程是正在执行的程序，是可执行程序的动态实例，它是一个承担分配系统资源的实体，但操作系统创建进程时，会为进程创建相应的内存空间，这个内存空间称为进程的地址空间，每一个进程的地址空间都是独立的！

​ 虚拟内存

​ 当一个进程有了进程的地址空间，那么进程的地址空间就必须被相应的工具所管理，这个工具被称为内存描述符 mm_struct ,它被定义在include/linux/mm_types.h中，在Linux操作系统中是这样管理进程的地址空间的，如下图所示：

mm_struct

​ mm_struct 的部分定义如下：

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struct mm_struct {
	struct vm_area_struct *mmap;		/* 指向线性区对象的链表头 */
	struct rb_root mm_rb;				/* 指向线性区对象的红－黑树 */

    /* 在进程地址空间中搜索有效线性地址区间的方法 */
	unsigned long (*get_unmapped_area) (struct file *filp,
				unsigned long addr, unsigned long len,
				unsigned long pgoff, unsigned long flags);
    
	unsigned long mmap_base;	/* base of mmap area */
	unsigned long mmap_legacy_base; /* base of mmap area in bottom-up allocations */
    
	/* Base adresses for compatible mmap() */
	unsigned long mmap_compat_base;
	unsigned long mmap_compat_legacy_base;

	unsigned long task_size;		/* size of task vm space 用户虚拟地址空间的长度 */
	unsigned long highest_vm_end;		/* highest vma end address */
	pgd_t * pgd; 	/* 指向进程页表起始地址 */
    
	atomic_t mm_users;  /* 共享同一个用户虚拟地址空间的进程的数量 */

	/*
	 内存描述符的主使用计数器，每次mm_count递减时，内核都要检查它是否变为0，如果是，就要解除这个内	 存描述符，因为不再有用户使用它
	 */
	atomic_t mm_count;

	atomic_long_t nr_ptes;			/* 进程中用于pte的页数 */
	atomic_long_t nr_pmds;			/* 进程中用于pmd的页数 */
    
	int map_count;				/* number of VMAs */

	spinlock_t page_table_lock;		/* 线性区的自旋锁和页表的自旋锁 */

	struct list_head mmlist;/* 存放链表相邻元素的地址，第一个元素是init_mm的mm_list字段 */

	unsigned long hiwater_rss;	/* 进程所拥有的最大页框数 */
	unsigned long hiwater_vm;	/* 进程线性区中的最大页数 */
	unsigned long total_vm;		/* 进程地址空间的大小 */
	unsigned long locked_vm;	/* "锁住"而不能换出的页的个数 */
	unsigned long pinned_vm;	/* Refcount permanently increased */
	unsigned long data_vm;		/* VM_WRITE & ~VM_SHARED & ~VM_STACK */
	unsigned long exec_vm;		/* VM_EXEC & ~VM_WRITE & ~VM_STACK */
	unsigned long stack_vm;		/* 用户态堆栈中的页数 */
	unsigned long def_flags;	/* 线性区默认的访问标志 */
    /*  可执行代码开始地址，结束地址，已初始化数据的开始地址，结束地址 */
	unsigned long start_code, end_code, start_data, end_data;
    /* 堆的起始地址，堆的当前最后地址，用户态堆栈的起始地址 */
	unsigned long start_brk, brk, start_stack;
    /* 命令行参数的起始地址，命令行参数的最后地址，环境变量的起始地址，环境变量的最后地址 */
	unsigned long arg_start, arg_end, env_start, env_end;
	/* 开始执行ELF程序时会使用到saved_auxv参数 */
	unsigned long saved_auxv[AT_VECTOR_SIZE]; /* for /proc/PID/auxv */
};

​ 进程描述符(task_struct)中和内存描述符(mm_struct)相关的成员：

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struct mm_struct *mm;  /* 进程的mm指向一个内存描述符
						内核线程没有用户虚拟地址空间，所以mm是空指针 */
struct mm_struct *active_mm;  /* 进程的active_mm 和 mm总是指向同一个内存描述
			内核线程的active_mm在没有运行时是空指针，在运行时指向从上一个进程借用的内存描述符 */