掀开Linux内存管理（二）的引擎盖，揭秘内存管理的奥秘
2023-10-13 20:08:55
Linux 内存管理：深入解析关键概念和算法
在现代计算中，内存管理是一个至关重要的任务，负责管理计算机的内存资源。在 Linux 系统中，内存管理是一个复杂而多方面的过程，涉及多个关键概念和算法。在本博客中，我们将深入探讨 Linux 内存管理的各个方面，从物理内存分配到虚拟内存管理，再到内存回收和保护。
物理内存管理
物理内存是指计算机中的实际 RAM，它是按字节连续寻址的。Linux 系统通过以下机制管理物理内存：
- 内存管理单元 (MMU) ：MMU 是硬件组件，负责将虚拟地址（应用程序请求的地址）翻译成物理地址（RAM 中的实际地址）。
- 页面表 ：页面表是数据结构，包含虚拟地址到物理地址的映射。
- 页面 ：页面是物理内存的基本分配单位，通常为 4KB 大小。
- 页框 ：页框是连续页面的集合，通常为 4MB 大小。
虚拟内存管理
虚拟内存是一种逻辑地址空间，允许应用程序请求比可用物理内存更大的内存。Linux 通过以下机制管理虚拟内存：
- 虚拟内存区 (VMA) ：VMA 了应用程序请求的虚拟内存区域。
- 页表项 (PTE) ：PTE 是页面表中的条目，它将虚拟地址映射到物理地址。
- TLB (转换旁路缓冲器) ：TLB 是高速缓存，存储最近使用的 PTE，以加快地址转换。
内存回收
当应用程序不再需要内存时，操作系统需要回收它。Linux 使用以下机制进行内存回收：
- 空闲页链表 ：此链表跟踪可用的物理页面。
- LRU 算法 (最近最少使用) ：LRU 算法用于确定回收哪些页面。
- 内核线程 ：内核线程定期扫描系统，回收空闲页面。
内存保护
Linux 使用以下机制防止应用程序访问不属于自己的内存：
- MMU ：MMU 限制应用程序只能访问已分配给它们的内存。
- 页面表 ：页面表包含权限位，指定哪些应用程序可以访问哪些页面。
- 权限位 ：权限位指示页面的读/写/执行权限。
内存分配
当应用程序需要内存时，操作系统负责分配它。Linux 使用以下机制进行内存分配：
- MMU ：MMU 将虚拟内存区域映射到物理内存页面。
- 页面表 ：页面表管理虚拟地址到物理地址的映射。
- 内存分配器 ：内存分配器是内核模块，负责分配和释放内存。
代码示例
以下 C 代码示例演示了如何使用 Linux 系统调用进行内存分配和释放：
#include <stdlib.h>
int main() {
// 分配 1MB 内存
void *ptr = malloc(1024 * 1024);
// ... 使用已分配的内存 ...
// 释放已分配的内存
free(ptr);
return 0;
}
总结
Linux 内存管理是一个广泛而复杂的主题，需要全面了解底层机制。通过理解物理内存分配、虚拟内存管理、内存回收、保护和分配等关键概念和算法，您可以更深入地了解 Linux 系统如何高效管理内存资源。
常见问题解答
-
虚拟内存和物理内存之间有什么区别？
虚拟内存是一种逻辑地址空间，大于可用物理内存，而物理内存是计算机中的实际 RAM。 -
MMU 在内存管理中扮演什么角色？
MMU 负责将虚拟地址翻译成物理地址，允许应用程序访问虚拟内存。 -
LRU 算法如何用于内存回收？
LRU 算法回收最近最少使用的页面，以腾出可用内存。 -
Linux 如何防止应用程序访问不属于自己的内存？
Linux 使用 MMU、页面表和权限位来限制应用程序对内存的访问。 -
内存分配器在 Linux 系统中有什么作用？
内存分配器是一个内核模块，负责分配和释放内存，满足应用程序的内存请求。
