物理虛擬內(nèi)存
物理虛擬內(nèi)存
有網(wǎng)友問到小編物理虛擬內(nèi)存是什么，那么物理虛擬內(nèi)存到底是什么呢？學習啦小編為大家介紹下。供大家參考!
物理虛擬內(nèi)存
前一段時間在面試總監(jiān)的時候，總監(jiān)問了我這樣的一個問題：你跟我說說物理內(nèi)存和虛擬內(nèi)存到底是怎么一回事?
其實之前我看過這個問題，據(jù)我理解的，當時是這么回答的“進程在運行的時候，操作系統(tǒng)都為其分配一個4GB的地址空間，即所謂的虛擬地址空間，一般情況下，當我們的程序很大的時候，實際的物理內(nèi)存根本不能滿足我們的需求的時候，這個時候操作系統(tǒng)就會借助磁盤空間來做虛擬的內(nèi)存空間，把當前進程不需要的數(shù)據(jù)放在磁盤上，等到用到的時候，在利用調(diào)度算法把所需要的數(shù)據(jù)從磁盤空間上調(diào)度到內(nèi)存，虛擬內(nèi)存就是為了擴大內(nèi)存的容量，每當我們要運行一個程序的時候經(jīng)過編譯以后形成的僅僅是邏輯上的空間，根本不是可以直接運行的內(nèi)存空間，所以它還存在一個地址映射的概念。”當時感覺回答的很是籠統(tǒng)，只見總監(jiān)在最后說了一句，你下去還是把這一塊的內(nèi)容在好好看看，所以今天就好好的把這個概念理一理。
首先我從最基本的概念說起，什么是物理內(nèi)存的概念，虛擬內(nèi)存的概念?
物理內(nèi)存，在應(yīng)用中，自然是顧名思義，物理上，真實的插在板子上的內(nèi)存是多大就是多大了。而在CPU中的概念，物理內(nèi)存就是CPU的地址線可以直接進行尋址的內(nèi)存空間大小。比如8086只有20根地址線，那么它的尋址空間就是1MB，我們就說8086能支持1MB的物理內(nèi)存，及時我們安裝了128M的內(nèi)存條在板子上，我們也只能說8086擁有1MB的物理內(nèi)存空間。同理我們現(xiàn)在大部分使用的是32位的機子，32位的386以上CPU就可以支持最大4GB的物理內(nèi)存空間了。
先說說為什么會有虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存的區(qū)別。正在運行的一個進程，他所需的內(nèi)存是有可能大于內(nèi)存條容量之和的，比如你的內(nèi)存條是256M，你的程序卻要創(chuàng)建一個2G的數(shù)據(jù)區(qū)，那么不是所有數(shù)據(jù)都能一起加載到內(nèi)存(物理內(nèi)存)中，勢必有一部分數(shù)據(jù)要放到其他介質(zhì)中(比如硬盤)，待進程需要訪問那部分數(shù)據(jù)時，在通過調(diào)度進入物理內(nèi)存。所以，虛擬內(nèi)存是進程運行時所有內(nèi)存空間的總和，并且可能有一部分不在物理內(nèi)存中，而物理內(nèi)存就是我們平時所了解的內(nèi)存條。有的地方呢，也叫這個虛擬內(nèi)存為內(nèi)存交換區(qū)。關(guān)鍵的是不要把虛擬內(nèi)存跟真實的插在主板上的內(nèi)存條相掛鉤，虛擬內(nèi)存它是“虛擬的”不存在，假的啦，它只是內(nèi)存管理的一種抽象!
那么，什么是虛擬內(nèi)存地址和物理內(nèi)存地址呢。假設(shè)你的計算機是32位，那么它的地址總線是32位的，也就是它可以尋址0~0xFFFFFFFF(4G)的地址空間，但如果你的計算機只有256M的物理內(nèi)存0x~0x0FFFFFFF(256M)，同時你的進程產(chǎn)生了一個不在這256M地址空間中的地址，那么計算機該如何處理呢?回答這個問題前，先說明計算機的內(nèi)存分頁機制。
計算機會對虛擬內(nèi)存地址空間(32位為4G)分頁產(chǎn)生頁(page)，對物理內(nèi)存地址空間(假設(shè)256M)分頁產(chǎn)生頁幀(page frame)，這個頁和頁幀的大小是一樣大的，所以呢，在這里，虛擬內(nèi)存頁的個數(shù)勢必要大于物理內(nèi)存頁幀的個數(shù)。在計算機上有一個頁表(page table)，就是映射虛擬內(nèi)存頁到物理內(nèi)存頁的，更確切的說是頁號到頁幀號的映射，而且是一對一的映射。但是問題來了，虛擬內(nèi)存頁的個數(shù) > 物理內(nèi)存頁幀的個數(shù)，豈不是有些虛擬內(nèi)存頁的地址永遠沒有對應(yīng)的物理內(nèi)存地址空間?不是的，操作系統(tǒng)是這樣處理的。操作系統(tǒng)有個頁面失效(page fault)功能。操作系統(tǒng)找到一個最少使用的頁幀，讓他失效，并把它寫入磁盤，隨后把需要訪問的頁放到頁幀中，并修改頁表中的映射，這樣就保證所有的頁都有被調(diào)度的可能了。這就是處理虛擬內(nèi)存地址到物理內(nèi)存的步驟。
現(xiàn)在來回答什么是虛擬內(nèi)存地址和物理內(nèi)存地址。虛擬內(nèi)存地址由頁號(與頁表中的頁號關(guān)聯(lián))和偏移量組成。頁號就不必解釋了，上面已經(jīng)說了，頁號對應(yīng)的映射到一個頁幀。那么，說說偏移量。偏移量就是我上面說的頁(或者頁幀)的大小，即這個頁(或者頁幀)到底能存多少數(shù)據(jù)。舉個例子，有一個虛擬地址它的頁號是4，偏移量是20，那么他的尋址過程是這樣的：首先到頁表中找到頁號4對應(yīng)的頁幀號(比如為8)，如果頁不在內(nèi)存中，則用失效機制調(diào)入頁，否則把頁幀號和偏移量傳給MMU(CPU的內(nèi)存管理單元)組成一個物理上真正存在的地址，接著就是訪問物理內(nèi)存中的數(shù)據(jù)了?？偨Y(jié)起來說，虛擬內(nèi)存地址的大小是與地址總線位數(shù)相關(guān)，物理內(nèi)存地址的大小跟物理內(nèi)存條的容量相關(guān)。
第一層理解
1. 每個進程都有自己獨立的4G內(nèi)存空間，各個進程的內(nèi)存空間具有類似的結(jié)構(gòu)
2. 一個新進程建立的時候，將會建立起自己的內(nèi)存空間，此進程的數(shù)據(jù)，代碼等從磁盤拷貝到自己的進程空間，哪些數(shù)據(jù)在哪里，都由進程控制表中的task_struct記錄，task_struct中記錄中一條鏈表，記錄中內(nèi)存空間的分配情況，哪些地址有數(shù)據(jù)，哪些地址無數(shù)據(jù)，哪些可讀，哪些可寫，都可以通過這個鏈表記錄
3. 每個進程已經(jīng)分配的內(nèi)存空間，都與對應(yīng)的磁盤空間映射
問題：
計算機明明沒有那么多內(nèi)存(n個進程的話就需要n*4G)內(nèi)存
建立一個進程，就要把磁盤上的程序文件拷貝到進程對應(yīng)的內(nèi)存中去，對于一個程序?qū)?yīng)的多個進程這種情況，浪費內(nèi)存!
第二層理解
1. 每個進程的4G內(nèi)存空間只是虛擬內(nèi)存空間，每次訪問內(nèi)存空間的某個地址，都需要把地址翻譯為實際物理內(nèi)存地址
2. 所有進程共享同一物理內(nèi)存，每個進程只把自己目前需要的虛擬內(nèi)存空間映射并存儲到物理內(nèi)存上。
3. 進程要知道哪些內(nèi)存地址上的數(shù)據(jù)在物理內(nèi)存上，哪些不在，還有在物理內(nèi)存上的哪里，需要用頁表來記錄
4. 頁表的每一個表項分兩部分，第一部分記錄此頁是否在物理內(nèi)存上，第二部分記錄物理內(nèi)存頁的地址(如果在的話)
5. 當進程訪問某個虛擬地址，去看頁表，如果發(fā)現(xiàn)對應(yīng)的數(shù)據(jù)不在物理內(nèi)存中，則缺頁異常
6. 缺頁異常的處理過程，就是把進程需要的數(shù)據(jù)從磁盤上拷貝到物理內(nèi)存中，如果內(nèi)存已經(jīng)滿了，沒有空地方了，那就找一個頁覆蓋，當然如果被覆蓋的頁曾經(jīng)被修改過，需要將此頁寫回磁盤
總結(jié)：
優(yōu)點：
1.既然每個進程的內(nèi)存空間都是一致而且固定的，所以鏈接器在鏈接可執(zhí)行文件時，可以設(shè)定內(nèi)存地址，而不用去管這些數(shù)據(jù)最終實際的內(nèi)存地址，這是有獨立內(nèi)存空間的好處
2.當不同的進程使用同樣的代碼時，比如庫文件中的代碼，物理內(nèi)存中可以只存儲一份這樣的代碼，不同的進程只需要把自己的虛擬內(nèi)存映射過去就可以了，節(jié)省內(nèi)存
3.在程序需要分配連續(xù)的內(nèi)存空間的時候，只需要在虛擬內(nèi)存空間分配連續(xù)空間，而不需要實際物理內(nèi)存的連續(xù)空間，可以利用碎片。
另外，事實上，在每個進程創(chuàng)建加載時，內(nèi)核只是為進程“創(chuàng)建”了虛擬內(nèi)存的布局，具體就是初始化進程控制表中內(nèi)存相關(guān)的鏈表，實際上并不立即就把虛擬內(nèi)存對應(yīng)位置的程序數(shù)據(jù)和代碼(比如.text .data段)拷貝到物理內(nèi)存中，只是建立好虛擬內(nèi)存和磁盤文件之間的映射就好(叫做存儲器映射)，等到運行到對應(yīng)的程序時，才會通過缺頁異常，來拷貝數(shù)據(jù)。還有進程運行過程中，要動態(tài)分配內(nèi)存，比如malloc時，也只是分配了虛擬內(nèi)存，即為這塊虛擬內(nèi)存對應(yīng)的頁表項做相應(yīng)設(shè)置，當進程真正訪問到此數(shù)據(jù)時，才引發(fā)缺頁異常。
補充理解：
虛擬存儲器涉及三個概念： 虛擬存儲空間，磁盤空間，內(nèi)存空間
可以認為虛擬空間都被映射到了磁盤空間中，(事實上也是按需要映射到磁盤空間上，通過mmap)，并且由頁表記錄映射位置，當訪問到某個地址的時候，通過頁表中的有效位，可以得知此數(shù)據(jù)是否在內(nèi)存中，如果不是，則通過缺頁異常，將磁盤對應(yīng)的數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)存中，如果沒有空閑內(nèi)存，則選擇犧牲頁面，替換其他頁面。
mmap是用來建立從虛擬空間到磁盤空間的映射的，可以將一個虛擬空間地址映射到一個磁盤文件上，當不設(shè)置這個地址時，則由系統(tǒng)自動設(shè)置，函數(shù)返回對應(yīng)的內(nèi)存地址(虛擬地址)，當訪問這個地址的時候，就需要把磁盤上的內(nèi)容拷貝到內(nèi)存了，然后就可以讀或者寫，最后通過manmap可以將內(nèi)存上的數(shù)據(jù)換回到磁盤，也就是解除虛擬空間和內(nèi)存空間的映射，這也是一種讀寫磁盤文件的方法，也是一種進程共享數(shù)據(jù)的方法 共享內(nèi)存
接下來我們來討論下物理內(nèi)存：在內(nèi)核態(tài)申請內(nèi)存比在用戶態(tài)申請內(nèi)存要更為直接，它沒有采用用戶態(tài)那種延遲分配內(nèi)存技術(shù)。內(nèi)核認為一旦有內(nèi)核函數(shù)申請內(nèi)存，那么就必須立刻滿足該申請內(nèi)存的請求，并且這個請求一定是正確合理的。相反，對于用戶態(tài)申請內(nèi)存的請求，內(nèi)核總是盡量延后分配物理內(nèi)存，用戶進程總是先獲得一個虛擬內(nèi)存區(qū)的使用權(quán)，最終通過缺頁異常獲得一塊真正的物理內(nèi)存。
1.物理內(nèi)存的內(nèi)核映射
IA32架構(gòu)中內(nèi)核虛擬地址空間只有1GB大小(從3GB到4GB)，因此可以直接將1GB大小的物理內(nèi)存(即常規(guī)內(nèi)存)映射到內(nèi)核地址空間，但超出1GB大小的物理內(nèi)存(即高端內(nèi)存)就不能映射到內(nèi)核空間。為此，內(nèi)核采取了下面的方法使得內(nèi)核可以使用所有的物理內(nèi)存。
1).高端內(nèi)存不能全部映射到內(nèi)核空間，也就是說這些物理內(nèi)存沒有對應(yīng)的線性地址。不過，內(nèi)核為每個物理頁框都分配了對應(yīng)的頁框描述符，所有的頁框描述符都保存在mem_map數(shù)組中，因此每個頁框描述符的線性地址都是固定存在的。內(nèi)核此時可以使用alloc_pages()和alloc_page()來分配高端內(nèi)存，因為這些函數(shù)返回頁框描述符的線性地址。
2).內(nèi)核地址空間的后128MB專門用于映射高端內(nèi)存，否則，沒有線性地址的高端內(nèi)存不能被內(nèi)核所訪問。這些高端內(nèi)存的內(nèi)核映射顯然是暫時映射的，否則也只能映射128MB的高端內(nèi)存。當內(nèi)核需要訪問高端內(nèi)存時就臨時在這個區(qū)域進行地址映射，使用完畢之后再用來進行其他高端內(nèi)存的映射。
由于要進行高端內(nèi)存的內(nèi)核映射，因此直接能夠映射的物理內(nèi)存大小只有896MB，該值保存在high_memory中。內(nèi)核地址空間的線性地址區(qū)間如下圖所示：
從圖中可以看出，內(nèi)核采用了三種機制將高端內(nèi)存映射到內(nèi)核空間：永久內(nèi)核映射，固定映射和vmalloc機制。
2.物理內(nèi)存管理機制
基于物理內(nèi)存在內(nèi)核空間中的映射原理，物理內(nèi)存的管理方式也有所不同。內(nèi)核中物理內(nèi)存的管理機制主要有伙伴算法，slab高速緩存和vmalloc機制。其中伙伴算法和slab高速緩存都在物理內(nèi)存映射區(qū)分配物理內(nèi)存，而vmalloc機制則在高端內(nèi)存映射區(qū)分配物理內(nèi)存。
伙伴算法
伙伴算法負責大塊連續(xù)物理內(nèi)存的分配和釋放，以頁框為基本單位。該機制可以避免外部碎片。
per-CPU頁框高速緩存
內(nèi)核經(jīng)常請求和釋放單個頁框，該緩存包含預先分配的頁框，用于滿足本地CPU發(fā)出的單一頁框請求。
slab緩存
slab緩存負責小塊物理內(nèi)存的分配，并且它也作為高速緩存，主要針對內(nèi)核中經(jīng)常分配并釋放的對象。
vmalloc機制
vmalloc機制使得內(nèi)核通過連續(xù)的線性地址來訪問非連續(xù)的物理頁框，這樣可以最大限度的使用高端物理內(nèi)存。
3.物理內(nèi)存的分配
內(nèi)核發(fā)出內(nèi)存申請的請求時，根據(jù)內(nèi)核函數(shù)調(diào)用接口將啟用不同的內(nèi)存分配器。
3.1 分區(qū)頁框分配器
分區(qū)頁框分配器 (zoned page frame allocator) ,處理對連續(xù)頁框的內(nèi)存分配請求。分區(qū)頁框管理器分為兩大部分:前端的管理區(qū)分配器和伙伴系統(tǒng)，如下圖：
管理區(qū)分配器負責搜索一個能滿足請求頁框塊大小的管理區(qū)。在每個管理區(qū)中,具體的頁框分配工作由伙伴系統(tǒng)負責。為了達到更好的系統(tǒng)性能,單個頁框的申請工作直接通過per-CPU頁框高速緩存完成。
該分配器通過幾個函數(shù)和宏來請求頁框,它們之間的封裝關(guān)系如下圖所示。
這些函數(shù)和宏將核心的分配函數(shù)__alloc_pages_nodemask()封裝,形成滿足不同分配需求的分配函數(shù)。其中，alloc_pages()系列函數(shù)返回物理內(nèi)存首頁框描述符，__get_free_pages()系列函數(shù)返回內(nèi)存的線性地址。
3.2 slab分配器
slab 分配器最初是為了解決物理內(nèi)存的內(nèi)部碎片而提出的，它將內(nèi)核中常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)看做對象。slab分配器為每一種對象建立高速緩存。內(nèi)核對該對象的分配和釋放均是在這塊高速緩存中操作。一種對象的slab分配器結(jié)構(gòu)圖如下：
可以看到每種對象的高速緩存是由若干個slab組成，每個slab是由若干個頁框組成的。雖然slab分配器可以分配比單個頁框更小的內(nèi)存塊，但它所需的所有內(nèi)存都是通過伙伴算法分配的。
slab高速緩存分專用緩存和通用緩存。專用緩存是對特定的對象，比如為內(nèi)存描述符創(chuàng)建高速緩存。通用緩存則是針對一般情況，適合分配任意大小的物理內(nèi)存，其接口即為kmalloc()。
3.3 非連續(xù)內(nèi)存區(qū)內(nèi)存的分配
內(nèi)核通過vmalloc()來申請非連續(xù)的物理內(nèi)存，若申請成功，該函數(shù)返回連續(xù)內(nèi)存區(qū)的起始地址，否則，返回NULL。vmalloc()和kmalloc()申請的內(nèi)存有所不同，kmalloc()所申請內(nèi)存的線性地址與物理地址都是連續(xù)的，而vmalloc()所申請的內(nèi)存線性地址連續(xù)而物理地址則是離散的，兩個地址之間通過內(nèi)核頁表進行映射。
vmalloc()的工作方式理解起來很簡單：
1).尋找一個新的連續(xù)線性地址空間;
2).依次分配一組非連續(xù)的頁框;
3).為線性地址空間和非連續(xù)頁框建立映射關(guān)系，即修改內(nèi)核頁表;
vmalloc()的內(nèi)存分配原理與用戶態(tài)的內(nèi)存分配相似，都是通過連續(xù)的虛擬內(nèi)存來訪問離散的物理內(nèi)存，并且虛擬地址和物理地址之間是通過頁表進行連接的，通過這種方式可以有效的使用物理內(nèi)存。但是應(yīng)該注意的是，vmalloc()申請物理內(nèi)存時是立即分配的，因為內(nèi)核認為這種內(nèi)存分配請求是正當而且緊急的;相反，用戶態(tài)有內(nèi)存請求時，內(nèi)核總是盡可能的延后，畢竟用戶態(tài)跟內(nèi)核態(tài)不在一個特權(quán)級。
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