❶ LINUX是採用段頁式方式管理內存嗎
分段是x86-CPU強制的，linux作為軟體無法避免，
對此linux採取的策略是只設置一個段，效果上相當於沒有分段
分頁對於高級OS來說是必須的
❷ linux中使用了什麼內存管理方法,為什麼
「事實勝於雄辯」，我們用一個小例子（原形取自《User-Level Memory Management》）來展示上面所講的各種內存區的差別與位置。
進程的地址空間對應的描述結構是「內存描述符結構」,它表示進程的全部地址空間，——包含了和進程地址空間有關的全部信息，其中當然包含進程的內存區域。
進程內存的分配與回收
創建進程fork()、程序載入execve()、映射文件mmap()、動態內存分配malloc()/brk()等進程相關操作都需要分配內存給進程。不過這時進程申請和獲得的還不是實際內存，而是虛擬內存，准確的說是「內存區域」。進程對內存區域的分配最終都會歸結到do_mmap（）函數上來（brk調用被單獨以系統調用實現，不用do_mmap()），
內核使用do_mmap()函數創建一個新的線性地址區間。但是說該函數創建了一個新VMA並不非常准確，因為如果創建的地址區間和一個已經存在的地址區間相鄰，並且它們具有相同的訪問許可權的話，那麼兩個區間將合並為一個。如果不能合並，那麼就確實需要創建一個新的VMA了。但無論哪種情況，do_mmap()函數都會將一個地址區間加入到進程的地址空間中－－無論是擴展已存在的內存區域還是創建一個新的區域。
同樣，釋放一個內存區域應使用函數do_ummap()，它會銷毀對應的內存區域。
如何由虛變實！
從上面已經看到進程所能直接操作的地址都為虛擬地址。當進程需要內存時，從內核獲得的僅僅是虛擬的內存區域，而不是實際的物理地址，進程並沒有獲得物理內存（物理頁面——頁的概念請大家參考硬體基礎一章），獲得的僅僅是對一個新的線性地址區間的使用權。實際的物理內存只有當進程真的去訪問新獲取的虛擬地址時，才會由「請求頁機制」產生「缺頁」異常，從而進入分配實際頁面的常式。
該異常是虛擬內存機制賴以存在的基本保證——它會告訴內核去真正為進程分配物理頁，並建立對應的頁表，這之後虛擬地址才實實在在地映射到了系統的物理內存上。（當然，如果頁被換出到磁碟，也會產生缺頁異常，不過這時不用再建立頁表了）
這種請求頁機制把頁面的分配推遲到不能再推遲為止，並不急於把所有的事情都一次做完（這種思想有點像設計模式中的代理模式（proxy））。之所以能這么做是利用了內存訪問的「局部性原理」，請求頁帶來的好處是節約了空閑內存，提高了系統的吞吐率。要想更清楚地了解請求頁機制，可以看看《深入理解linux內核》一書。
這里我們需要說明在內存區域結構上的nopage操作。當訪問的進程虛擬內存並未真正分配頁面時，該操作便被調用來分配實際的物理頁，並為該頁建立頁表項。在最後的例子中我們會演示如何使用該方法。
系統物理內存管理
雖然應用程序操作的對象是映射到物理內存之上的虛擬內存，但是處理器直接操作的卻是物理內存。所以當應用程序訪問一個虛擬地址時，首先必須將虛擬地址轉化成物理地址，然後處理器才能解析地址訪問請求。地址的轉換工作需要通過查詢頁表才能完成，概括地講，地址轉換需要將虛擬地址分段，使每段虛地址都作為一個索引指向頁表，而頁表項則指向下一級別的頁表或者指向最終的物理頁面。
每個進程都有自己的頁表。進程描述符的pgd域指向的就是進程的頁全局目錄。下面我們借用《linux設備驅動程序》中的一幅圖大致看看進程地址空間到物理頁之間的轉換關系。
上面的過程說起來簡單，做起來難呀。因為在虛擬地址映射到頁之前必須先分配物理頁——也就是說必須先從內核中獲取空閑頁，並建立頁表。下面我們介紹一下內核管理物理內存的機制。
物理內存管理（頁管理）
Linux內核管理物理內存是通過分頁機制實現的，它將整個內存劃分成無數個4k（在i386體系結構中）大小的頁，從而分配和回收內存的基本單位便是內存頁了。利用分頁管理有助於靈活分配內存地址，因為分配時不必要求必須有大塊的連續內存[3]，系統可以東一頁、西一頁的湊出所需要的內存供進程使用。雖然如此，但是實際上系統使用內存時還是傾向於分配連續的內存塊，因為分配連續內存時，頁表不需要更改，因此能降低TLB的刷新率（頻繁刷新會在很大程度上降低訪問速度）。
鑒於上述需求，內核分配物理頁面時為了盡量減少不連續情況，採用了「夥伴」關系來管理空閑頁面。夥伴關系分配演算法大家應該不陌生——幾乎所有操作系統方面的書都會提到,我們不去詳細說它了，如果不明白可以參看有關資料。這里只需要大家明白Linux中空閑頁面的組織和管理利用了夥伴關系，因此空閑頁面分配時也需要遵循夥伴關系，最小單位只能是2的冪倍頁面大小。內核中分配空閑頁面的基本函數是get_free_page/get_free_pages，它們或是分配單頁或是分配指定的頁面（2、4、8…512頁）。
注意：get_free_page是在內核中分配內存，不同於malloc在用戶空間中分配，malloc利用堆動態分配，實際上是調用brk()系統調用，該調用的作用是擴大或縮小進程堆空間（它會修改進程的brk域）。如果現有的內存區域不夠容納堆空間，則會以頁面大小的倍數為單位，擴張或收縮對應的內存區域，但brk值並非以頁面大小為倍數修改，而是按實際請求修改。因此Malloc在用戶空間分配內存可以以位元組為單位分配,但內核在內部仍然會是以頁為單位分配的。
另外,需要提及的是，物理頁在系統中由頁結構structpage描述，系統中所有的頁面都存儲在數組mem_map[]中，可以通過該數組找到系統中的每一頁（空閑或非空閑）。而其中的空閑頁面則可由上述提到的以夥伴關系組織的空閑頁鏈表（free_area[MAX_ORDER]）來索引。
內核內存使用
Slab
所謂尺有所長，寸有所短。以頁為最小單位分配內存對於內核管理系統中的物理內存來說的確比較方便，但內核自身最常使用的內存卻往往是很小（遠遠小於一頁）的內存塊——比如存放文件描述符、進程描述符、虛擬內存區域描述符等行為所需的內存都不足一頁。這些用來存放描述符的內存相比頁面而言，就好比是麵包屑與麵包。一個整頁中可以聚集多個這些小塊內存；而且這些小塊內存塊也和麵包屑一樣頻繁地生成/銷毀。
為了滿足內核對這種小內存塊的需要，Linux系統採用了一種被稱為slab分配器的技術。Slab分配器的實現相當復雜，但原理不難，其核心思想就是「存儲池[4]」的運用。內存片段（小塊內存）被看作對象，當被使用完後，並不直接釋放而是被緩存到「存儲池」里，留做下次使用，這無疑避免了頻繁創建與銷毀對象所帶來的額外負載。
Slab技術不但避免了內存內部分片（下文將解釋）帶來的不便（引入Slab分配器的主要目的是為了減少對夥伴系統分配演算法的調用次數——頻繁分配和回收必然會導致內存碎片——難以找到大塊連續的可用內存），而且可以很好地利用硬體緩存提高訪問速度。
Slab並非是脫離夥伴關系而獨立存在的一種內存分配方式，slab仍然是建立在頁面基礎之上，換句話說，Slab將頁面（來自於夥伴關系管理的空閑頁面鏈表）撕碎成眾多小內存塊以供分配，slab中的對象分配和銷毀使用kmem_cache_alloc與kmem_cache_free。
Kmalloc
Slab分配器不僅僅只用來存放內核專用的結構體，它還被用來處理內核對小塊內存的請求。當然鑒於Slab分配器的特點，一般來說內核程序中對小於一頁的小塊內存的請求才通過Slab分配器提供的介面Kmalloc來完成（雖然它可分配32到131072位元組的內存）。從內核內存分配的角度來講，kmalloc可被看成是get_free_page（s）的一個有效補充，內存分配粒度更靈活了。
有興趣的話，可以到/proc/slabinfo中找到內核執行現場使用的各種slab信息統計，其中你會看到系統中所有slab的使用信息。從信息中可以看到系統中除了專用結構體使用的slab外，還存在大量為Kmalloc而准備的Slab（其中有些為dma准備的）。
內核非連續內存分配（Vmalloc）
夥伴關系也好、slab技術也好，從內存管理理論角度而言目的基本是一致的，它們都是為了防止「分片」，不過分片又分為外部分片和內部分片之說，所謂內部分片是說系統為了滿足一小段內存區（連續）的需要，不得不分配了一大區域連續內存給它，從而造成了空間浪費；外部分片是指系統雖有足夠的內存，但卻是分散的碎片，無法滿足對大塊「連續內存」的需求。無論何種分片都是系統有效利用內存的障礙。slab分配器使得一個頁面內包含的眾多小塊內存可獨立被分配使用，避免了內部分片，節約了空閑內存。夥伴關系把內存塊按大小分組管理，一定程度上減輕了外部分片的危害，因為頁框分配不在盲目，而是按照大小依次有序進行，不過夥伴關系只是減輕了外部分片，但並未徹底消除。你自己比劃一下多次分配頁面後，空閑內存的剩餘情況吧。
所以避免外部分片的最終思路還是落到了如何利用不連續的內存塊組合成「看起來很大的內存塊」——這里的情況很類似於用戶空間分配虛擬內存，內存邏輯上連續，其實映射到並不一定連續的物理內存上。Linux內核借用了這個技術，允許內核程序在內核地址空間中分配虛擬地址，同樣也利用頁表（內核頁表）將虛擬地址映射到分散的內存頁上。以此完美地解決了內核內存使用中的外部分片問題。內核提供vmalloc函數分配內核虛擬內存，該函數不同於kmalloc，它可以分配較Kmalloc大得多的內存空間（可遠大於128K，但必須是頁大小的倍數），但相比Kmalloc來說,Vmalloc需要對內核虛擬地址進行重映射，必須更新內核頁表，因此分配效率上要低一些（用空間換時間）
與用戶進程相似,內核也有一個名為init_mm的mm_strcut結構來描述內核地址空間，其中頁表項pdg=swapper_pg_dir包含了系統內核空間（3G-4G）的映射關系。因此vmalloc分配內核虛擬地址必須更新內核頁表，而kmalloc或get_free_page由於分配的連續內存，所以不需要更新內核頁表。
vmalloc分配的內核虛擬內存與kmalloc/get_free_page分配的內核虛擬內存位於不同的區間，不會重疊。因為內核虛擬空間被分區管理，各司其職。進程空間地址分布從0到3G(其實是到PAGE_OFFSET,在0x86中它等於0xC0000000)，從3G到vmalloc_start這段地址是物理內存映射區域（該區域中包含了內核鏡像、物理頁面表mem_map等等）比如我使用的系統內存是64M(可以用free看到)，那麼(3G——3G+64M)這片內存就應該映射到物理內存，而vmalloc_start位置應在3G+64M附近（說"附近"因為是在物理內存映射區與vmalloc_start期間還會存在一個8M大小的gap來防止躍界）,vmalloc_end的位置接近4G(說"接近"是因為最後位置系統會保留一片128k大小的區域用於專用頁面映射，還有可能會有高端內存映射區，這些都是細節，這里我們不做糾纏)。
上圖是內存分布的模糊輪廓
由get_free_page或Kmalloc函數所分配的連續內存都陷於物理映射區域，所以它們返回的內核虛擬地址和實際物理地址僅僅是相差一個偏移量（PAGE_OFFSET），你可以很方便的將其轉化為物理內存地址，同時內核也提供了virt_to_phys（）函數將內核虛擬空間中的物理映射區地址轉化為物理地址。要知道，物理內存映射區中的地址與內核頁表是有序對應的，系統中的每個物理頁面都可以找到它對應的內核虛擬地址（在物理內存映射區中的）。
而vmalloc分配的地址則限於vmalloc_start與vmalloc_end之間。每一塊vmalloc分配的內核虛擬內存都對應一個vm_struct結構體（可別和vm_area_struct搞混，那可是進程虛擬內存區域的結構），不同的內核虛擬地址被4k大小的空閑區間隔，以防止越界——見下圖）。與進程虛擬地址的特性一樣，這些虛擬地址與物理內存沒有簡單的位移關系，必須通過內核頁表才可轉換為物理地址或物理頁。它們有可能尚未被映射，在發生缺頁時才真正分配物理頁面。
這里給出一個小程序幫助大家認清上面幾種分配函數所對應的區域。
#include<linux/mole.h>
#include<linux/slab.h>
#include<linux/vmalloc.h>
unsignedchar*pagemem;
unsignedchar*kmallocmem;
unsignedchar*vmallocmem;
intinit_mole(void)
{
pagemem = get_free_page(0);
printk("<1>pagemem=%s",pagemem);
kmallocmem = kmalloc(100,0);
printk("<1>kmallocmem=%s",kmallocmem);
vmallocmem = vmalloc(1000000);
printk("<1>vmallocmem=%s",vmallocmem);
}
voidcleanup_mole(void)
{
free_page(pagemem);
kfree(kmallocmem);
vfree(vmallocmem);
}
實例
內存映射(mmap)是Linux操作系統的一個很大特色，它可以將系統內存映射到一個文件（設備）上，以便可以通過訪問文件內容來達到訪問內存的目的。這樣做的最大好處是提高了內存訪問速度，並且可以利用文件系統的介面編程（設備在Linux中作為特殊文件處理）訪問內存，降低了開發難度。許多設備驅動程序便是利用內存映射功能將用戶空間的一段地址關聯到設備內存上，無論何時，只要內存在分配的地址范圍內進行讀寫，實際上就是對設備內存的訪問。同時對設備文件的訪問也等同於對內存區域的訪問，也就是說，通過文件操作介面可以訪問內存。Linux中的X伺服器就是一個利用內存映射達到直接高速訪問視頻卡內存的例子。
熟悉文件操作的朋友一定會知道file_operations結構中有mmap方法，在用戶執行mmap系統調用時，便會調用該方法來通過文件訪問內存——不過在調用文件系統mmap方法前，內核還需要處理分配內存區域（vma_struct）、建立頁表等工作。對於具體映射細節不作介紹了，需要強調的是,建立頁表可以採用remap_page_range方法一次建立起所有映射區的頁表，或利用vma_struct的nopage方法在缺頁時現場一頁一頁的建立頁表。第一種方法相比第二種方法簡單方便、速度快，但是靈活性不高。一次調用所有頁表便定型了，不適用於那些需要現場建立頁表的場合——比如映射區需要擴展或下面我們例子中的情況。
我們這里的實例希望利用內存映射，將系統內核中的一部分虛擬內存映射到用戶空間，以供應用程序讀取——你可利用它進行內核空間到用戶空間的大規模信息傳輸。因此我們將試圖寫一個虛擬字元設備驅動程序，通過它將系統內核空間映射到用戶空間——將內核虛擬內存映射到用戶虛擬地址。從上一節已經看到Linux內核空間中包含兩種虛擬地址：一種是物理和邏輯都連續的物理內存映射虛擬地址；另一種是邏輯連續但非物理連續的vmalloc分配的內存虛擬地址。我們的例子程序將演示把vmalloc分配的內核虛擬地址映射到用戶地址空間的全過程。
程序里主要應解決兩個問題：
第一是如何將vmalloc分配的內核虛擬內存正確地轉化成物理地址？
因為內存映射先要獲得被映射的物理地址，然後才能將其映射到要求的用戶虛擬地址上。我們已經看到內核物理內存映射區域中的地址可以被內核函數virt_to_phys轉換成實際的物理內存地址，但對於vmalloc分配的內核虛擬地址無法直接轉化成物理地址，所以我們必須對這部分虛擬內存格外「照顧」——先將其轉化成內核物理內存映射區域中的地址，然後在用virt_to_phys變為物理地址。
轉化工作需要進行如下步驟：
找到vmalloc虛擬內存對應的頁表，並尋找到對應的頁表項。
獲取頁表項對應的頁面指針
通過頁面得到對應的內核物理內存映射區域地址。
如下圖所示：
第二是當訪問vmalloc分配區時，如果發現虛擬內存尚未被映射到物理頁，則需要處理「缺頁異常」。因此需要我們實現內存區域中的nopaga操作，以能返回被映射的物理頁面指針，在我們的實例中就是返回上面過程中的內核物理內存映射區域中的地址。由於vmalloc分配的虛擬地址與物理地址的對應關系並非分配時就可確定，必須在缺頁現場建立頁表，因此這里不能使用remap_page_range方法，只能用vma的nopage方法一頁一頁的建立。
程序組成
map_driver.c，它是以模塊形式載入的虛擬字元驅動程序。該驅動負責將一定長的內核虛擬地址(vmalloc分配的)映射到設備文件上。其中主要的函數有——vaddress_to_kaddress（）負責對vmalloc分配的地址進行頁表解析,以找到對應的內核物理映射地址（kmalloc分配的地址）；map_nopage()負責在進程訪問一個當前並不存在的VMA頁時，尋找該地址對應的物理頁，並返回該頁的指針。
test.c它利用上述驅動模塊對應的設備文件在用戶空間讀取讀取內核內存。結果可以看到內核虛擬地址的內容（ok!），被顯示在了屏幕上。
執行步驟
編譯map_driver.c為map_driver.o模塊,具體參數見Makefile
載入模塊：insmodmap_driver.o
生成對應的設備文件
1在/proc/devices下找到map_driver對應的設備命和設備號：grepmapdrv/proc/devices
2建立設備文件mknodmapfilec 254 0（在我的系統里設備號為254）
利用maptest讀取mapfile文件，將取自內核的信息列印到屏幕上。
❸ 詳解Linux系統內存知識及調優方案
內存是計算機中重要的部件之一，它是與CPU進行溝通的橋梁。計算機中所有程序的運行都是在內存中進行的，因此內存的性能對計算機的影響非常大。內存作用是用於暫時存放CPU中的運算數據，以及與硬碟等外部存儲器交換的數據。只要計算機在運行中，CPU就會把需要運算的數據調到內存中進行運算，當運算完成後CPU再將結果傳送出來，內存的運行也決定了計算機的穩定運行。對於整個操作系統來說，內存可能是最麻煩的的設備。而其性能的好壞直接影響著整個操作系統。
我們知道CPU是不能與硬碟打交道的，只有數據被載入到內存中才可以被CPU調用。cpu在訪問內存的時候需要先像內存監控程序請求，由監控程序控制和分配內存的讀寫請求，這個監控程序叫做MMU(內存管理單元)。下面以32位系統來說明內存的訪問過程：
32位的系統上每一個進程在訪問內存的時候，每一個進程都當做自己有4個G的內存空間可用，這叫虛擬內存(地址)，虛擬內存轉化成物理內存是通過MMU來完成的。為了能夠從線性地址轉換成物理地址，需要page table(頁表)的內存空間,page table要載入到MMU上。為了完成線性地址到物理地址的映射，如果按照1個位元組1個位元組映射的話，需要一張非常大的表，這種轉換關系會非常的復雜。因此把內存空間又劃分成了另外一種存儲單元格式，通常為4K。在不同的硬體平台上，它們的大小一般是不一樣的，像x86 32位的有4k的頁;而64位的有4k頁，2M頁，4M頁，8M頁等等，默認都是4k的。每一個進程一般而言都有自己的頁路徑和頁表映射機制，不管那一個頁表都是由內核載入的。每一個進程只能看到自己的線性地址空間，想要增加新的內存的時候，只能在自己的線性地址空間中申請，並且申請後一定是通過操作系統的內核映射到物理地址空間中去找那麼一段空間，並且告訴線性地址空間准備好了，可以訪問，並且在page table中增加一條映射關系，於是就可以訪問物理內存了，這種叫做內存分配。但是新的申請一定是通過操作的內核到物理內存中去找那麼一段空間，並且告訴線性地址空間好了，可以建設映射關系，最終page table建立映射關系。
這反映了上述描述過程的大體情況。可以看到每一個用戶程序都會有自己的頁表，並且映射到對應的主存儲器上去。
根據上述文字和圖表的描述可以發現2個問題：
1.每個進程如果需要訪問內存的時候都需要去查找page table的話，勢必會造成伺服器的性能底下
2.如果主存儲器的內存滿了以後，應用程序還需要調用內存的時候怎麼辦
對於第一個問題，我們就需要藉助TLB(Translation Lookaside Buffer)翻譯後備緩沖器。TLB是一個內存管理單元，它可以用於改進虛擬地址到物理地址轉換速度的緩存。這樣每次在查找page table的時候就可以先去TLB中查找相應的頁表數據，如果有就直接返回，沒有再去查找page table，並把查找到的結果緩存中TLB中。TLB雖然解決了緩存的功能，但是在那麼page table中查找映射關系仍然很慢，所以又有了page table的分級目錄。page table可以分為1級目錄，2級目錄和偏移量
但是一個進程在運行的時候要頻繁的打開文件，關閉文件。這就意味著要頻繁的申請內存和釋放內存。有些能夠在內存中緩存數據的那些進程，他們對內存的分配和回收更多，那麼每一次分配都會在頁表中建立一個對應項。所以，就算內存的速度很快，大量頻繁的同一時間分配和釋放內存，依然會降低伺服器的整體性能。當然內存空間不夠用的時候，我們稱為oom(out of memory,內存耗盡)。當內存耗盡的時候，，整個操作系統掛了。這種情況下我們可以考慮交換分區，交換分區畢竟是由硬碟虛擬出來的內存，所以其性能與真正的內存相比，差了很多，所以要盡力避免使用交換分區。有物理內存空間的時候盡量保證全部使用物理內存。cpu無論如何是不能給交換內存打交道的，它也只能給物理內存打交道，能定址的空間也只能是物理內存。所以當真正物理內存空間不夠用的時候，會通過LRU演算法把其中最近最少使用的內存放到交換內存中去，這樣物理內存中的那段空間就可以供新的程序使用了。但是這樣會引發另外的一個問題，即原來的進程通過page table尋找的時候，那一段空間的數據已經不屬於它了。所以此刻cpu發送通知或者異常告訴這個程序，這個地址空間已不屬於它，這個時候可能會出現2種情況：
1.物理內存有可用的空間可用：這個時候cpu會根據以前的轉換策略會把交換分區中的那段內存重新送到物理內存中去，但是轉換過來的空間地址不一定會是以前的那一段空間地址，因為以前的那一段空間地址可能已經被別人使用了。
2.物理內存沒有可用的空間可用：這個時候依然會使用LRU算發把當前物理地址空間上最近最少使用的空間地址轉換到交換內存中去，並把當前進程需要的這斷在交換空間中的內存送到物理內存空間中去，並且重新建立映射關系。
上述通知或者異常出現的情況，通常叫做缺頁異常。缺頁異常也分為大異常和小異常兩種。大異常就是訪問的數據內存中沒有，不的不去硬碟上載入，無論是從交換內存中還是直接從磁碟的某個文件系統上，反正需要從硬碟上去載入，這種異常載入需要很長時間。小異常就是進程之間通過共享內存，第二個進程訪問的時候，查看本地的內存映射表沒有，但是其它進程已經擁有了這個內存頁，所以可以直接映射，這種異常載入需要的時間一般很短。
在操作系統開機的時候，每一個io設備都會像cpu申請一些列的隨機埠，這種埠叫做io埠。在IBM PC體系結構中，I/O地址空間一共提供了65,536個8位的I/O埠。正是這些io埠的存在，cpu可以與io設備進行讀寫交互的過程。在執行讀寫操作時，CPU使用地址匯流排選擇所請求的I/O埠，使用數據匯流排在CPU寄存器和埠之間傳送數據。I/O埠還可以被映射到物理地址空間：因此，處理器和I/O設備之間的通信就可以直接使用對內存進行操作的匯編語言指令(例如，mov、and、or等等)。現代的硬體設備更傾向於映射I/O，因為這樣處理的速度較快，並可以和DMA結合起來使用。這樣io在和內存傳數據的時候就不需要通過cpu，cpu把匯流排的控制權交給DMA，每次io傳數據的時候就調用DMA一次，就把cpu給解放了出來。當數據傳輸完了以後，DMA通知給cpu中斷一次。DMA在運行的時候對整個匯流排有控制許可權，當cpu發現有其它進程需要使用匯流排的時候，二者就會產生爭用。這個時候，在匯流排控制權的使用上，CPU和DMA具有相等的許可權。只要CPU委託給了DMA，就不能隨意的收回這個委託，就要等待DMA的用完。
如果沒有其它進程可以運行，或者其它進程運行的時間非常短，這個時候CPU發現我們的IO仍然沒有完成，那就意味著，CPU只能等待IO了。CPU在時間分配裡面有個iowait的值，就是CPU在等待IO花費的時間。有些是在同步調用過程中，CPU必須要等待IO的完成;否者CPU可以釋放IO的傳輸在背後自動完成，CPU自己去處理其它的事情。等硬碟數據傳輸完成以後，硬碟只需要像CPU發起一個通知即可。CPU外圍有一種設備，這個設備叫做可編程中斷控制器。每一個硬體設備為了給CPU通信，在剛開機的時候，在BIOS實現檢測的時候，這個設備就要到可編程中斷控制器上去注冊一個所謂的中斷號。那麼這個號碼就歸這個硬體使用了。當前主機上可能有多個硬體，每一個硬體都有自己的號碼，CPU在收到中斷號以後，就能夠通過中斷相量表查找到那個硬體設備進行中斷。並且就由對應的IO埠過來處理了。
CPU正在運行其它進程，當一個中斷請求發過來的時候，CPU會立即終止當前正在處理的進程，而去處理中斷。當前CPU掛起當前正在處理的進程，轉而去執行中斷的過程，也叫做中斷切換。只不過，這種切換在量級別上比進程切換要低一些，而且任何中斷的優先順序通常比任何進程也要高，因為我們指的是硬體中斷。中斷還分為上半部和下半部，一般而言，上半部就是CPU在處理的時候，把它接進來，放到內存中，如果這個事情不是特別緊急(CPU或者內核會自己判斷)，因此在這種情況下，CPU回到現場繼續執行剛才掛起的進程，當這個進程處理完了，再回過頭來執行中斷的下半部分。
在32位系統中，我們的內存(線性地址)地址空間中，一般而言，低地址空間有一個G是給內核使用的，上面3個G是給進程使用的。但是應該明白，其實在內核內存當中，再往下，不是直接這樣劃分的。32位系統和64位系統可能不一樣(物理地址)，在32位系統中，最低端有那麼10多M的空間是給DMA使用的。DNA的匯流排寬度是很小的，可能只有幾位，所以定址能力很有限，訪問的內存空間也就很有限。如果DMA需要復制數據，而且自己能夠定址物理內存，還可以把數據直接壯哉進內存中去，那麼就必須保證DMA能夠定址那段內存才行。定址的前提就是把最低地址斷M，DA的定址范圍內的那一段給了DMA。所以站在這個角度來說，我們的內存管理是分區域的。
在32位系統上，16M的內存空間給了ZONE_DMA(DMA使用的物理地址空間);從16M到896M給了ZONE_NORMAL(正常物理地址空間)，對於Linux操作系統來說，是內核可以直接訪問的地址空間;從896M到1G這斷空間叫做"Reserved"(預留的物理地址空間);從1G到4G的這段物理地址空間中，我們的內核是不能直接訪問的，要想訪問必須把其中的一段內容映射到Reserved來，在Reserved中保留出那一段內存的地址編碼，我們內核才能上去訪問，所以內核不直接訪問大於1G的物理地址空間。所以在32位系統上，它訪問內存當中的數據，中間是需要一個額外步驟的。
在64位系統上，ZONE_DAM給了低端的1G地址空間，這個時候DMA的定址能力被大大加強了;ZONE_DAM32可以使用4G的空間;而大於1G以上給劃分了ZONE_NORMAL,這段空間都可以被內核直接訪問。所以在64位上，內核訪問大於1G的內存地址，就不需要額外的步驟了，效率和性能上也大大增加，這也就是為什麼要使用64位系統的原因。
在現在的PC架構上，AMD,INTER都支持一種機制，叫做PEA(物理地址擴展)。所謂PAE。指的是在32位系統的地址匯流排上，又擴展了4位，使得32位系統上的地址空間可以達到64G。當然在32為系統上，不管你的物理內存有多大，單個進程所使用的空間是無法擴展的。因為在32位的系統上，線性地址空間只有4個G，而單個進程能夠識別的訪問也只有3個G。
linux的虛擬內存子系統包含了以下幾個功能模塊：
slab allocator,zoned buddy allocator,MMU,kswapd,bdflush
slab allocator叫做slab分配器
buddy allocator又叫做buddy system，叫做夥伴系統，也是一種內存分配器
buddy system是工作在MMU之上的，而slab allocator又是工作在buddy system之上的。
設置為小於等於1G，在資料庫伺服器應該勁量避免使用交換內存
3.在應用伺服器上，可以設置為RAM*0.5，當然這個是理論值
如果不的不使用交換內存，應該把交換內存放到最靠外的磁軌分區上，因為最外邊的磁碟的訪問速度最快。所以如果有多塊硬碟，可以把每塊硬碟的最外層的磁軌拿一小部分出來作為交換分區。交換分區可以定義優先順序，因此把這些硬碟的交換內存的優先順序設置為一樣，可以實現負載均衡的效果。定義交換分區優先順序的方法為編輯/etc/fstab：
/dev/sda1 swap swap pri=5 0 0
/dev/sdb1 swap swap pri=5 0 0
/dev/sdc1 swap swap pri=5 0 0
/dev/sdd1 swap swap pri=5 0 0
四.內存耗盡時候的相關調優參數
當Linux內存耗盡的時候，它會殺死那些佔用內存最多的進程，以下三種情況會殺死進程：
1.所有的進程都是活動進程，這個時候想交換出去都沒有空閑的進程
2.沒有可用的page頁在ZONE_NORMAL中
3.有其它新進程啟動，申請內存空間的時候，要找一個空閑內存給做映射，但是這個時候找不到了
一旦內存耗盡的時候，操作系統就會啟用oom-kill機制。
在/proc/PID/目錄下有一個文件叫做oom_score,就是用來指定oom的評分的，就是壞蛋指數。
如果要手動啟用oom-kill機制的話，只需要執行echo f>/proc/sysrq-trigger即可，它會自動殺掉我們指定的壞蛋指數評分最高的那個進程
可以通過echo n > /proc/PID/oom_adj來調整一個進程的壞蛋評分指數。最終的評分指數就是2的oom_adj的值的N次方。假如我們的一個進程的oom_adj的值是5，那麼它的壞蛋評分指數就是2的5次方。
如果想禁止oom-kill功能的使用可以使用vm.panic_on_oom=1即可。
五.與容量有關的內存調優參數：
overcommit_memory,可用參數有3個，規定是否能夠過量使用內存：
0：默認設置，內核執行啟發式的過量使用處理
1：內核執行無內存的過量使用處理。使用這個值會增大內存超載的可能性
2：內存的使用量等於swap的大小+RAM*overcommit_ratio的值。如果希望減小內存的過度使用，這個值是最安全的
overcommit_ratio:將overcommit_memory指定為2時候，提供的物理RAM比例，默認為50
六.與通信相關的調優參數
常見在同一個主機中進行進程間通信的方式：
1.通過消息message;2.通過signal信號量進行通信;3.通過共享內存進行通信，跨主機常見的通信方式是rpc
以消息的方式實現進程通信的調優方案：
msgmax:以位元組為單位規定消息隊列中任意消息的最大允許大小。這個值一定不能超過該隊列的大小(msgmnb)，默認值為65536
msgmnb:以位元組為單位規定單一消息隊列的最大值(最大長度)。默認為65536位元組
msgmni:規定消息隊列識別符的最大數量(及隊列的最大數量)。64位架構機器的默認值為1985;32位架構機器的默認值為1736
以共享內存方式實現進程通信的調優方案：
shmall:以位元組為單位規定一次在該系統中可以使用的共享內存總量(單次申請的上限)
shmmax:以位元組為單位規定每一個共享內存片段的最大大小
shmmni:規定系統范圍內最大共享內存片段。在64和32位的系統上默認值都是4096
七.與容量相關的文件系統可調優參數：
file-max:列出內核分配的文件句柄的最大值
dirty_ratio:規定百分比值，當臟數據達到系統內存總數的這個百分比值後開始執行pdflush,默認為20
dirty_background_ratio:規定百分比值，當某一個進程自己所佔用的臟頁比例達到系統內存總數的這個百分比值後開始在後台執行pdflush，默認為10
dirty_expire_centisecs:pdlush每隔百分之一秒的時間開啟起來刷新臟頁，默認值為3000，所以每隔30秒起來開始刷新臟頁
dirty_writeback_centisecs:每隔百分之一秒開始刷新單個臟頁。默認值為500，所以一個臟頁的存在時間達到了5秒，就開始刷新臟
八.linux內存常用的觀察指標命令：
Memory activity
vmstat [interval] [count]
sar -r [interval] [count]
Rate of change in memory
sar -R [interval] [count]
frmpg/s:每秒釋放或者分配的內存頁，如果為正數，則為釋放的內存頁;如果為負數，則為分配的內存頁
bufpg/s:每秒buffer中獲得或者釋放的內存頁。如果為正數則為獲得的內存頁，為負數。則為釋放的內存頁
campg/s:每秒cache中獲得或者釋放的內存頁。如果為正數則為獲得的內存頁，為負數。則為釋放的內存頁
Swap activity
sar -W [interval] [count]
ALL IO
sar -B [interval] [count]
pgpgin/s:每秒從磁碟寫入到內核的塊數量
pgpgout/s:每秒從內核寫入到磁碟的塊數量
fault/s:每秒鍾出現的缺頁異常的個數
majflt/s:每秒鍾出現的大頁異常的個數
pgfree/s:每秒回收回來的頁面個數
❹ Linux進程內存如何管理
Linux系統提供了復雜的存儲管理系統，使得進程所能訪問的內存達到4GB。在Linux系統中，進程的4GB內存空間被分為兩個部分——用戶空間與內核空間。用戶空間的地址一般分布為0~3GB(即PAGE_OFFSET，在Ox86中它等於OxC0000000），這樣，剩下的3~4GB為內核空間，用戶進程通常只能訪問用戶空間的虛擬地址，不能訪問內核空間的虛擬地址。用戶進程只有通過系統調用（代表用戶進程在內核態執行）等方式才可以訪問到內核空間。每個進程的用戶空間都是完全獨立、互不相乾的，用戶進程各自有不同的頁表。而內核空間是由內核負責映射，它並不會跟著進程改變，是固定的。內核空間的虛擬地址到物理地址映射是被所有進程共享的，內核的虛擬空間獨立於其他程序。Linux中1GB的內核地址空間又被劃分為物理內存映射區、虛擬內存分配區、高端頁面映射區、專用頁面映射區和系統保留映射區這幾個區域。對於x86系統而言，一般情況下，物理內存映射區最大長度為896MB，系統的物理內存被順序映射在內核空間的這個區域中。當系統物理內存大於896MB時，超過物理內存映射區的那部分內存稱為高端內存（而未超過物理內存映射區的內存通常被稱為常規內存），內核在存取高端內存時必須將它們映射到高端頁面映射區。Linux保留內核空間最頂部FIXADDR_TOP~4GB的區域作為保留區。當系統物理內存超過4GB時，必須使用CPU的擴展分頁(PAE）模式所提供的64位頁目錄項才能存取到4GB以上的物理內存，這需要CPU的支持。加入了PAE功能的Intel Pentium Pro及以後的CPU允許內存最大可配置到64GB，它們具備36位物理地址空間定址能力。由此可見，對於32位的x86而言，在3~4GB之間的內核空間中，從低地址到高地址依次為:物理內存映射區隔離帶vmalloc虛擬內存分配器區隔離帶高端內存映射區專用頁面映射區保留區。
❺ 簡述Linux有技術特點 急
一、 Linux的主要特點 1.符合POSIX 1003.1標准POSIX 1003.1標準定義了一個最小的Unix操作系統介面，任何操作系統只有符合這一標准，才有可能運 行Unix程序。考慮到Unix具有豐富的應用程序，當今絕大多數操作系統都把滿足POSIX 1003.1標准作為實現 目標，Linux也不例外，它完全支持POSIX 1003.1標准。另外，為了使Unix System V和BSD上的程序能直接在 Linux上運行， Linux還增加了部分System V和BSD的系統介面，使Linux成為一個完善的Unix程序開發系統。 CT6itug
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2.支持多用戶訪問和多任務編程Linux是一個多用戶操作系統，它允許多個用戶同時訪問系統而不會造成用戶之間的相互干擾。另外， Linux還支持真正的多用戶編程，一個用戶可以創建多個進程，並使各個進程協同工作來完成用戶的需求. CT6itug
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3.採用頁式存儲管理 頁式存儲管理使Linux能更有效地利用物理存儲空間，頁面的換入換出為用戶提供了更大的存儲空間。 CT6itug
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4.支持動態鏈接用戶程序的執行往往離不開標准庫的支持，一般的系統往往採用靜態鏈接方式--即在裝配階段就已將 用戶程序和標准庫鏈接好，這樣，當多個進程運行時，可能會出現庫代碼在內存中有多個副本而浪費存儲 空間的情況。Linux 支持動態鏈接方式，當運行時才進行庫鏈接，如果所需要的庫已被其它進程裝入內存， 則不必再裝入，否則才從硬碟中將庫調入。這樣能保證內存中的庫程序代碼是唯一的。 CT6itug
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5.支持多種文件系統 Linux能支持多種文件系統。目前支持的文件系統有：EXT2、EXT、XIAFS、ISOFS、HPFS、MSDOS、UMSDOS、 PROC、NFS、SYSV、MINIX、SMB、UFS、NCP、VFAT、AFFS。Linux最常用的文件系統是EXT2，它的文件名長度可 達255字元，並且還有許多特有的功能，使它比常規的Unix文件系統更加安全。 CT6itug
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6.支持TCP/IP、SLIP和PPP在Linux中，用戶可以使用所有的網路服務，如網路文件系統、遠程登錄等。SLIP和PPP能支持串列線上的 TCP/IP協議的使用，這意味著用戶可用一個高速Modem通過電話線連入Internet網中。 CT6itug
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除了上述基本特徵外，Linux還具有其獨有的特色： CT6itug
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1.支持硬碟的動態Cache 這一功能與MS DOS中的Smartdrive相似。所不同的是，Linux能動態調整所用的 Cache存儲器的大小，以適合當前存儲器的使用情況，當某一時刻沒有更多的存儲空間可用時，Cache將被減少， 以增加空閑的存儲空間，一旦存儲空間不再緊張，Cache的大小又將增加。2.支持不同格式的可執行文件 Linux具有多種模擬器，這使它能運行不同格式的目標文件。其中，DOS和 MS Windows正在開發之中，iBCS2模擬器能運行SCO Unix的目標程序。(iBCS2 模擬器不是Linux標准核心的 一部分，但可從ftp.informatik.hu berlin.de：/pub/os/linux下載) CT6itug
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二、 Linux的主要構成 CT6itug
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Linux採用頁式存儲管理機制，每個頁面的大小隨處理機晶元而異。例如，Intel 386處理機頁面大小 可為4KB和2MB兩種，而Alpha處理機頁面大小可為8KB、16KB、32KB和64KB。頁面大小的選擇對地址變換算 法和頁表結構會有一定的影響，如Alpha的虛地址和物理地址的有效長度隨頁面尺寸的變化而變化，這種變 化必將在地址變換和頁表項中有所反映。在Linux中，每一個進程都有一個比實際物理空間大得多的進程虛擬空間，為了建立虛擬空間和物理空 間之間的映射，每個進程還保留一張頁表，用於將本進程空間中的虛地址變換成物理地址。頁表還對物理頁 的訪問許可權作出了規定，定義了哪些頁可讀寫，哪些頁是只讀頁，在進行虛實變換時，Linux將根據頁表中規 定的訪問許可權來判定進程對物理地址的訪問是否合法，從而達到存儲保護的目的。 Linux存儲空間分配遵循的是不到有實際需要的時候決不分配物理空間的原則。當一個程序載入執行時， Linux只為它分配了虛空間，只有訪問某一虛地址而發生了缺頁中斷時，才為它分配物理空間，這樣就可能 出現某些程序運行完成後，其中的一些頁從來就沒有裝進過內存。這種存儲分配策略帶來的好處是顯而易見的，因為它最大限度地利用了物理存儲器。盡管Linux對物理存儲器資源的使用十分謹慎，但還是經常出現物理存儲器資源短缺的情況。Linux有一 個名為kswapd的守護進程專門負責頁面的換出，當系統中的空閑頁面小於一定的數目時，kswapd將按照一定的淘 汰演算法選出某些頁面，或者直接丟棄(頁面未作修改)，或者將其寫回硬碟(頁面已被修改)。這種換出方式不 同於較舊版本Unix的換出方式，它是將一個進程的所有頁全部寫回硬碟。相比之下，Linux的效率更高。 CT6itug
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2.進程管理在Linux中，進程是資源分配的基鏡ノ唬 凶試炊際且越 濤 韻罄唇 蟹峙淶摹?在一個進程的生 命期內，它會用到許多系統資源，會用CPU運行其指令，用存儲器存儲其指令和數據，它也會打開和使用文件 系統中的文件，直接或間接用到系統中的物理設備，因此，Linux設計了一系列的數據結構，它們能准確地描 述進程的狀態和其資源使用情況，以便能公平有效地使用系統資源。Linux的調度演算法能確保不出現某些進程 過度佔用系統資源而導致另一些進程無休止地等待的情況。 CT6itug
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進程的創建是一個十分復雜的過程，通常的做法需為子進程重新分配物理空間，並把父進程空間的內容全 盤復制到子進程空間中，其開銷非常大。為了降低進程創建的開銷，Linux採用了Copy on write技術，即不 拷貝父進程的空間，而是拷貝父進程的頁表，使父進程和子進程共享物理空間，並將這個共享空間的訪問許可權 置為只讀。當父進程和子進程的某一方進行寫操作時，Linux檢測到一個非法操作，這時才將要寫的頁進行復制 。這一做法免除了只讀頁的復制，從而降低了開銷。Linux目前尚未提供用戶級線程，但提供了核心級線程，核心線程的創建是在進程創建的基礎上稍做修改， 使創建的子進程與父進程共享虛存空間。從這一意義上講，核心線程更像一個共享進程組。CT6itug
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3.文件系統Linux最重要的特徵之一就是支持多個不同的文件系統，前面我們已經看到，Linux目前支持的文件系統 多達十餘種，隨著時間的推移，這一數目還在不斷增加。在Linux中，一個分離的文件系統不是通過設備標識 (如驅動器號或驅動器名)來訪問，而是 把它合到一個單一的目錄樹結構中，通過目錄來訪問，這一點與Unix十分相似。Linux用 安裝命令將一個新的文件系統安裝到系統單一目錄樹的某一目錄下，一旦安裝成功，該目錄下的所有內容將 被新安裝的文件系統所覆蓋，當文件系統被卸下後，安裝目錄下的文件將會被重新恢復。CT6itug
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Linux最初的文件系統是Minix。該文件系統對文件限制過多，並且性能低下，如文件名長度不能超過14 個字元、文件大小不能超過64MB。為了解決這些問題，Linux的開發者們設計了一個Linux專用的文件系統EXT。 EXT對文件的要求放鬆了許多，但在性能上並沒有大的改觀，於是就有了後面的EXT2文件系統。EXT2文件系統 是一個非常成功的文件系統，它無論是對文件的限制還是在性能方面都大大優於EXT文件系統，所以，EXT2自 從推出就一直是Linux最常用的文件系統。為了支持多種文件系統，Linux用一個被稱為虛擬文件系統(VFS)的介面層將真正的文件系統同操作系統及 系統服務分離開。VFS掩蓋了不同文件系統之間的差異，使所有文件系統在操作系統和用戶程序看來都是等同的。VFS允許用戶同時透明地安裝多個不同的文件系統。 CT6itug
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4.進程間通信Linux提供了多種進程間的通信機制，其中，信號和管道是最基本的兩種。除此以外，Linux也提供 System V的進程間通信機制，包括消息隊列、信號燈及共享內存。為了支持不同機器之間的進程通信， Linux還引入了BSD的Socket機制。 CT6itug
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三、 Linux的不足及發展趨勢Linux從出現到現今只經歷了短短七年的時間，但其發展速度是驚人的，這與它的開放性和優良的性能 是密不可分的。不過我們應該看到，作為一個由學生開發的系統，Linux還有許多先天不足，它的設計思想 過多地受到傳統操作系統的約束，沒有體現出當今操作系統的發展潮流，具體表現在以下幾個方面： CT6itug
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不是一個微內核操作系統；是一個分布式操作系統；不是一個安全的操作系統；沒有用戶線程；不支持實時處理； CT6itug
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代碼是用C而不是C＋＋這樣的現代程序設計語言編寫的。盡管Linux有這樣和那樣的不足，但其發展潛力不容低估，其發展的動力就是遍布全球、為數眾多的 Linux熱心者。今後Linux將會朝著完善功能、提高效率的方向發展，包括允許用戶創建線程、增加實時處 理功能、開發適合多處理機體系結構的版本。我們相信，Linux、Unix及NT三足鼎立的時代將為期不遠。 Linux主要由存儲管理、進程管理、文件系統、進程間通信等幾部分組成，在許多演算法及實現策略上， Linux借鑒了Unix的成功經驗，但也不乏自己的特色。 CT6itug
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1.存儲管理 作為一個操作系統，Linux幾乎滿足當今Unix操作系統的所有要求，因此，它具有Unix操作系統的基本特徵。
❻ linux kernel 內存管理-頁表、TLB
頁表用來把虛擬頁映射到物理頁，並且存放頁的保護位(即訪問許可權)。
在Linux4.11版本以前，Linux內核把頁表分為4級：
頁全局目錄表(PGD)、頁上層目錄(PUD)、頁中間目錄(PMD)、直接頁表(PT) 。
4.11版本把頁表擴展到5級，在頁全局目錄和頁上層目錄之間增加了 頁四級目錄(P4D) 。
各處處理器架構可以選擇使用5級，4級，3級或者2級頁表，同一種處理器在頁長度不同的情況可能選擇不同的頁表級數。可以使用配置宏CONFIG_PGTABLE_LEVELS配置頁表的級數，一般使用默認值。
如果選擇4級頁表，那麼使用PGD，PUD，PMD，PT；如果使用3級頁表，那麼使用PGD，PMD，PT；如果選擇2級頁表，那麼使用PGD和PT。 如果不使用頁中間目錄 ，那麼內核模擬頁中間目錄，調用函數pmd_offset 根據頁上層目錄表項和虛擬地址獲取頁中間目錄表項時 ， 直接把頁上層目錄表項指針強制轉換成頁中間目錄表項 。
每個進程有獨立的頁表，進程的mm_struct實例的成員pgd指向頁全局目錄,前面四級頁表的表項存放下一級頁表的起始地址，直接頁表的頁表項存放頁幀號(PFN) 。
內核也有一個頁表， 0號內核線程的進程描述符init_task的成員active_mm指向內存描述符init_mm，內存描述符init_mm的成員pgd指向內核的頁全局目錄swapper_pg_dir 。
ARM64處理器把頁表稱為轉換表，最多4級。ARM64處理器支持三種頁長度：4KB，16KB，64KB。頁長度和虛擬地址的寬度決定了轉換表的級數，在虛擬地址的寬度為48位的條件下，頁長度和轉換表級數的關系如下所示：
ARM64處理器把表項稱為描述符，使用64位的長描述符格式。描述符的0bit指示描述符是不是有效的：0表示無效，1表示有效。第1位指定描述符類型。
在塊描述符和頁描述符中，內存屬性被拆分為一個高屬性和一個低屬性塊。
處理器的MMU負責把虛擬地址轉換成物理地址，為了改進虛擬地址到物理地址的轉換速度，避免每次轉換都需要查詢內存中的頁表，處理器廠商在管理單元里加了稱為TLB的高速緩存，TLB直譯為轉換後備緩沖區，意譯為頁表緩存。
頁表緩存用來緩存最近使用過的頁表項， 有些處理器使用兩級頁表緩存 ： 第一級TLB分為指令TLB和數據TLB，好處是取指令和取數據可以並行；第二級TLB是統一TLB，即指令和數據共用的TLB 。
不同處理器架構的TLB表項的格式不同。ARM64處理器的每條TLB表項不僅包含虛擬地址和物理地址，也包含屬性：內存類型、緩存策略、訪問許可權、地址空間標識符(ASID)和虛擬機標識符(VMID)。 地址空間標識符區分不同進程的頁表項 ， 虛擬機標識符區分不同虛擬機的頁表項 。
如果內核修改了可能緩存在TLB裡面的頁表項，那麼內核必須負責使舊的TLB表項失效，內核定義了每種處理器架構必須實現的函數。
當TLB沒有命中的時候，ARM64處理器的MMU自動遍歷內存中的頁表，把頁表項復制到TLB，不需要軟體把頁表項寫到TLB，所以ARM64架構沒有提供寫TLB的指令。
為了減少在進程切換時清空頁表緩存的需要，ARM64處理器的頁表緩存使用非全局位區分內核和進程的頁表項(nG位為0表示內核的頁表項)， 使用地址空間標識符(ASID)區分不同進程的頁表項 。
ARM64處理器的ASID長度是由具體實現定義的，可以選擇8位或者16位。寄存器TTBR0_EL1或者TTBR1_EL1都可以用來存放當前進程的ASID，通常使用寄存器TCR_EL1的A1位決定使用哪個寄存器存放當前進程的ASID，通常使用寄存器 TTBR0_EL1 。寄存器TTBR0_EL1的位[63:48]或者[63:56]存放當前進程的ASID，位[47:1]存放當前進程的頁全局目錄的物理地址。
在SMP系統中，ARM64架構要求ASID在處理器的所有核是唯一的。假設ASID為8位，ASID只有256個值，其中0是保留值，可分配的ASID范圍1~255，進程的數量可能超過255，兩個進程的ASID可能相同，內核引入ASID版本號解決這個問題。
(1)每個進程有一個64位的軟體ASID， 低8位存放硬體ASID，高56位存放ASID版本號 。
(2) 64位全局變數asid_generation的高56位保存全局ASID版本號 。
(3) 當進程被調度時，比較進程的ASID版本號和全局版本號 。如果版本號相同，那麼直接使用上次分配的ASID，否則需要給進程重新分配硬體ASID。
存在空閑ASID，那麼選擇一個分配給進程。不存在空閑ASID時，把全局ASID版本號加1，重新從1開始分配硬體ASID，即硬體ASID從255回繞到1。因為剛分配的硬體ASID可能和某個進程的ASID相同，只是ASID版本號不同，頁表緩存可能包含了這個進程的頁表項，所以必須把所有處理器的頁表緩存清空。
引入ASID版本號的好處是：避免每次進程切換都需要清空頁表緩存，只需要在硬體ASID回環時把處理器的頁表緩存清空 。
虛擬機裡面運行的客戶操作系統的虛擬地址轉物理地址分兩個階段：
(1) 把虛擬地址轉換成中間物理地址，由客戶操作系統的內核控制 ，和非虛擬化的轉換過程相同。
(2) 把中間物理地址轉換成物理地址，由虛擬機監控器控制 ，虛擬機監控器為每個虛擬機維護一個轉換表，分配一個虛擬機標識符，寄存器 VTTBR_EL2 存放當前虛擬機的階段2轉換表的物理地址。
每個虛擬機有獨立的ASID空間 ，頁表緩存使用 虛擬機標識符 區分不同虛擬機的轉換表項，避免每次虛擬機切換都要清空頁表緩存，在虛擬機標識符回繞時把處理器的頁表緩存清空。
❼ 內存管理的基本問題
內存管理是指軟體運行時對計算機內存資源的分配和使用的技術。其最主要的目的是如何高效，快速的分配，並且在適當的時候釋放和回收內存資源。一個執行中的程式，譬如網頁瀏覽器在個人電腦或是圖靈機（Turing machine）裡面，為一個行程將資料轉換於真實世界及電腦內存之間，然後將資料存於電腦內存內部（在計算機科學，一個程式是一群指令的集合，一個行程是電腦在執行中的程式）。一個程式結構由以下兩部分而成：「本文區段」，也就是指令存放，提供CPU使用及執行； 「資料區段」，儲存程式內部本身設定的資料，例如常數字串。
技術簡介
內存可以通過許多媒介實現，例如磁帶或是磁碟，或是小陣列容量的微晶元。 從1950年代開始，計算機變的更復雜，它內部由許多種類的內存組成。內存管理的任務也變的更加復雜，甚至必須在一台機器同時執行多個進程。
虛擬內存是內存管理技術的一個極其實用的創新。它是一段程序（由操作系統調度），持續監控著所有物理內存中的代碼段、數據段，並保證他們在運行中的效率以及可靠性，對於每個用戶層（user-level）的進程分配一段虛擬內存空間。當進程建立時，不需要在物理內存件之間搬移數據，數據儲存於磁碟內的虛擬內存空間，也不需要為該進程去配置主內存空間，只有當該進程被被調用的時候才會被載入到主內存。
可以想像一個很大的程序，當他執行時被操作系統調用，其運行需要的內存數據都被存到磁碟內的虛擬內存，只有需要用到的部分才被載入到主內存內部運行。
❽ linux內存管理的特點
什麼是虛擬內存？
Linux支持虛擬內存（virtual memory），虛擬內存是指使用磁碟當作RAM的擴展，這樣可用的內存的大小就相應地增大了。內核會將暫時不用的內存塊的內容寫到硬碟上，這樣一來，這塊內存就可用於其它目的。當需要用到原始的內容時，它們被重新讀入內存。這些操作對用戶來說是完全透明的；Linux下運行的程序只是看到有大量的內存可供使用而並沒有注意到時不時它們的一部分是駐留在硬碟上的。當然，讀寫硬碟要比直接使用真實內存慢得多（要慢數千倍），所以程序就不會象一直在內存中運行的那樣快。用作虛擬內存的硬碟部分被稱為交換空間（swap space）。
Linux能夠使用文件系統中的一個常規文件或一個獨立的分區作為交換空間。交換分區要快一些，但是很容易改變交換文件的大小（也就無需重分區整個硬碟，並且可以從臨時分區中安裝任何東西）。當你知道你需要多大的交換空間時，你應該使用交換分區，但是如果你不能確定的話，你可以首先使用一個交換文件，然後使用一陣子系統，你就可以感覺到要有多大的交換空間，此時，當你能夠確信它的大小時就創建一個交換分區。
你應該知道，Linux允許同時使用幾個交換分區以及/或者交換文件。這意味著如果你只是偶爾地另外需要一個交換空間時，你可以在當時設置一個額外的交換文件，而不是一直分配這個交換空間。
操作系統術語注釋：計算機科學常常將交換[swapping](將整個進程寫到交換空間)與頁面調度[paging]（在某個時刻，僅僅固定大小的幾千位元組寫到交換空間內）加以區別。頁面調度通常更有效，這也是Linux的做法，但是傳統的Linux術語卻指的是交換。
創建交換空間
一個交換文件是一個普通的文件；對內核來說一點也不特殊。對內核有關系的是它不能有孔，並且它是用mkswap來准備的。而且，它必須駐留在一個本地硬碟上，它不能由於實現的原因而駐留在一個通過NFS載入的文件系統中。
關於孔是重要的。交換文件保留了磁碟空間，以至於內核能夠快速地交換出頁面而無需做分配磁碟扇區給文件時所要做的一些事。內核僅僅是使用早已分配給交換文件的任何扇區而已。因為文件中的一個孔意味著沒有磁碟扇區分配（給該文件的孔的相應部分），對內核來說就不能使用這類有孔的文件。
創建無孔的交換文件的一個好方法是通過下列命令：
$ dd if=/dev/zero of=/extra-swap bs=1024 count=1024 \
上面/extra-swap是交換文件的名字，大小由count=後面的數值給出。大小最好是4的倍數，因為內核寫出的內存頁面（memory pages）大小是4千位元組。如果大小不是4的倍數，最後幾千位元組就用不上了。
一個交換分區也並沒有什麼特別的。你可以象創建其它分區一樣地創建它；唯一的區別在於它是作為一個原始的分區使用的，也即，它不包括任何的文件系統。將交換分區標記為類型82（Linux交換分區）是個好主意；這將使得分區的列表更清楚，盡管對內核來說並不是一定要這樣的。
在創建了一個交換文件或一個交換分區以後，你必須在它的開頭部分寫上一個簽名；這個簽名中包括了一些由內核使用的管理信息。這是用\cmd{mkswap}命令來做到的，用法如下：
$ mkswap /extra-swap 1024
Setting up swapspace, size = 1044480 bytes
請注意此時交換空間還沒有被使用：它已存在，但內核還沒有用它作為虛擬內存。你必須非常小心地使用mkswap，因為它不檢查這個文件或分區是否已被別人使用。你可以非常容易地使用mkswap來覆蓋重要的文件以及分區！幸運的是，僅僅在安裝系統時，你才需要使用mkswap。
Linux內存管理程序限制每個交換空間最大約為127MB（由於各種技術上的原因，實際的限制大小為(4096-10) * 8 * 4096 = 133890048$ 位元組，或127.6875兆位元組）。然而，你可以同時使用多至16個交換空間，總容量幾乎達2GB。
交換空間的使用
一個已初始化的交換空間是使用命令swapon投入正式使用的。該命令告訴內核這個交換空間可以被使用了。到交換空間的路徑是作為參數給出的，所以，開始在一個臨時交換文件上使用交換的命令如下：
$ swapon /extra-swap
通過把交換空間列入/etc/fstab文件中就能被自動地使用了。
/dev/hda8 none swap sw 0 0
/swapfile none swap sw 0 0
啟動描述文件會執行命令swapon –a，這個命令會啟動列於/etc/fstab中的所有交換空間。因此，swapon命令通常僅用於需要有外加的交換空間時。
你可以用free命令監視交換空間的使用情況。它將給出已使用了多少的交換空間。
total used free shared buffers
Swap: 32452 6684 25768
輸出的第一行（Mem:）顯示出物理內存的使用情況。總和(total)列中並沒有顯示出被內核使用的內存，它通常將近一兆位元組。已用列(used column)顯示出已用內存的總和（第二行沒有把緩沖算進來）。空閑列（free column）顯示了所有未被使用的空閑內存。共享列（shared column）顯示出了被幾個進程共享的內存的大小；共享的內存越多，情況就越好。緩存列（buffer column）顯示出了當前磁碟緩存的大小。已緩沖列（cached column）顯示出了已使用的緩存的大小。
最後一行（Swap:）顯示出了與交換空間相應的信息。如果這一行的數值都是零，表示你的交換空間沒有被擊活。
也可通過用top命令來獲得同樣的信息，或者使用proc文件系統中的文件/proc/meminfo 。通常要取得指定交換空間的使用情況是困難的。
可以使用命令swapoff來移去一個交換空間。通常沒有必要這樣做，但臨時交換空間除外。一般，在交換空間中的頁面首先被換入內存；如果此時沒有足夠的物理內存來容納它們又將被交換出來（到其他的交換空間中）。如果沒有足夠的虛擬內存來容納所有這些頁面，Linux就會波動而不正常；但經過一段較長的時間Linux會恢復，但此時系統已不可用了。在移去一個交換空間之前，你應該檢查（例如，用free）是否有足夠的空閑內存。
任何由swapon –a而自動被使用的所有交換空間都能夠用swapoff –a命令移去；該命令參考/etc/fstab文件來確定移去什麼。任何手工設置使用的交換空間將始終可以被使用。
有時，盡管有許多的空閑內存，仍然會有許多的交換空間正被使用。這是有可能發生的，例如如果在某一時刻有進行交換的必要，但後來一個佔用很多物理內存的大進程結束並釋放內存時。被交換出的數據並不會自動地交換進內存，除非有這個需要時。此時物理內存會在一段時間內保持空閑狀態。對此並沒有什麼可擔心的，但是知道了是怎麼一回事我們也就放心了。
許多操作系統使用了虛擬內存的方法。因為它們僅在運行時才需要交換空間，以即決不會在同一時間使用交換空間，因此，除了當前正在運行的操作系統的交換空間，其它的就是一種浪費。所以讓它們共享一個交換空間將會更有效率。這是可能的，但需要有一定的了解。在HOWTO技巧文檔中含有如何實現這種做法的一些建議。
有些人會對你說需要用物理內存的兩倍容量來分配交換空間，但這是不對的。下面是合適的做法：
。估計你的總內存需求。這是某一時刻你所需要的最大的內存容量，也就是在同一時刻你想運行的所有程序所需內存的總和。通過同時運行所有的程序你可以做到這一點。
例如，如果你要運行X，你將給它分配大約8MB內存，gcc需要幾兆位元組（有些文件要求異呼尋常的大量的內存量，多至幾十兆位元組，但通常約4兆位元組應該夠了），等等。內核本身要用大約1兆位元組、普通的shell以及其它一些工具可能需要幾百千位元組（就說總和要1兆位元組吧）。並不需要進行精確的計算，粗率的估計也就足夠了，但你必須考慮到最壞的情況。
注意，如果會有幾個人同時使用這個系統，他們都將消耗內存。然而，如果兩個人同時運行一個程序，內存消耗的總量並不是翻倍，因為代碼頁以及共享的庫只存在一份。
Free以及ps命令對估計所需的內存容量是很有幫助的。
對第一步中的估計放寬一些。這是因為對程序在內存中佔用多少的估計通常是不準的，因為你很可能忘掉幾個你要運行的程序，以及，確信你還要有一些多餘的空間用於以防萬一。這需幾兆位元組就夠了。（多分配總比少分配交換空間要好，但並不需要過分這樣以至於使用整個硬碟，因為不用的交換空間是浪費的空間；參見後面的有關增加交換空間。）同樣，因為處理數值更好做，你可以將容量值加大到整數兆位元組。
基於上面的計算，你就知道了你將需要總和為多少的內存。所以，為了分配交換空間，你僅需從所需總內存量中減去實際物理內存的容量，你就知道了你需要多少的交換空間。（在某些UNIX版本中，你還需要為物理內存的映像分配空間，所以第二步中算出的總量正是你所需要的交換空間的容量，而無需再做上述中的減法運算了。）
如果你計算出的交換空間容量遠遠大於你的物理內存（大於兩倍以上），你通常需要再買些內存來，否則的話，系統的性能將非常低。
有幾個交換空間是個好主意，即使計算指出你一個都不需要。Linux系統常常動不動就使用交換空間，以保持盡可能多的空閑物理內存。即使並沒有什麼事情需要內存，Linux也會交換出暫時不用的內存頁面。這可以避免等待交換所需的時間：當磁碟閑著，就可以提前做好交換。
可以將交換空間分散在幾個硬碟之上。針對相關磁碟的速度以及對磁碟的訪問模式，這樣做可以提高性能。你可能想實驗幾個方案，但是你要認識到這些實驗常常是非常困難的。不要相信其中一個方案比另一個好的說法，因為並不總是這樣的。
高速緩沖
與訪問（真正的）的內存相比，磁碟[3]的讀寫是很慢的。另外，在相應較短的時間內多次讀磁碟同樣的部分也是常有的事。例如，某人也許首先閱讀了一段e-mail消息，然後為了答復又將這段消息讀入編輯器中，然後又在將這個消息拷貝到文件夾中時，使得郵件程序又一次讀入它。或者考慮一下在一個有著許多用戶的系統中ls命令會被使用多少次。通過將信息從磁碟上僅讀入一次並將其存於內存中，除了第一次讀以外，可以加快所有其它讀的速度。這叫作磁碟緩沖（disk buffering），被用作此目的的內存稱為高速緩沖（buffer cache）。
不幸的是，由於內存是一種有限而又不充足的資源，高速緩沖不可能做的很大（它不可能包容要用到的所有數據）。當緩沖充滿了數據時，其中最長時間不用的數據將被舍棄以騰出內存空間用於新的數據。
對寫磁碟操作來說磁碟緩沖技術同樣有效。一方面，被寫入磁碟的數據常常會很快地又被讀出（例如，原代碼文件被保存到一個文件中，又被編譯器讀入），所以將要被寫的數據放入緩沖中是個好主意。另一方面，通過將數據放入緩沖中，而不是將其立刻寫入磁碟，程序可以加快運行的速度。以後，寫的操作可以在後台完成，而不會拖延程序的執行。
大多數操作系統都有高速緩沖（盡管可能稱呼不同），但是並不是都遵守上面的原理。有些是直接寫（write-through）：數據將被立刻寫入磁碟（當然，數據也被放入緩存中）。如果寫操作是在以後做的，那麼該緩存被稱為後台寫（write-back）。後台寫比直接寫更有效，但也容易出錯：如果機器崩潰，或者突然掉電，或者是軟盤在緩沖中等待寫的數據被寫入軟盤之前被從驅動器中取走，緩沖中改變過的數據就被丟失了。如果仍未被寫入的數據含有重要的薄記信息，這甚至可能意味著文件系統（如果有的話）已不完整。
由於上述原因，在使用適當的關閉過程之前，絕對不要關掉電源（見第六章），不要在卸載（如果已被載入）之前將軟盤從驅動器中取出來，也不要在任何正在使用軟盤的程序指示出完成了軟盤操作並且軟盤燈熄滅之前將軟盤取出來。sync命令傾空（flushes）緩沖，也即，強迫所有未被寫的數據寫入磁碟，可用以確定所有的寫操作都已完成。在傳統的UNIX系統中，有一個叫做update的程序運行於後台，每隔30秒做一次sync操作，因此通常無需手工使用sync命令了。Linux另外有一個後台程序，bdflush，這個程序執行更頻繁的但不是全面的同步操作，以避免有時sync的大量磁碟I/O操作所帶來的磁碟的突然凍結。
在Linux中，bdflush是由update啟動的。通常沒有理由來擔心此事，但如果由於某些原因bdflush進程死掉了，內核會對此作出警告，此時你就要手工地啟動它了（/sbin/update）。
緩存（cache）實際並不是緩沖文件的，而是緩沖塊的，塊是磁碟I/O操作的最小單元（在Linux中，它們通常是1KB）。這樣，目錄、超級塊、其它文件系統的薄記數據以及非文件系統的磁碟數據都可以被緩沖了。
緩沖的效力主要是由它的大小決定的。緩沖大小太小的話等於沒用：它只能容納一點數據，因此在被重用時，所有緩沖的數據都將被傾空。實際的大小依賴於數據讀寫的頻次、相同數據被訪問的頻率。只有用實驗的方法才能知道。
如果緩存有固定的大小，那麼緩存太大了也不好，因為這會使得空閑的內存太小而導致進行交換操作（這同樣是慢的）。為了最有效地使用實際內存，Linux自動地使用所有空閑的內存作為高速緩沖，當程序需要更多的內存時，它也會自動地減小緩沖的大小。
在Linux中，你不需要為使用緩沖做任何事情，它是完全自動處理的。除了上面所提到的有關按照適當的步驟來關機和取出軟盤，你不用擔心它。