Linux 内存管理 | 地址映射：分段、分页、段页
文章目录
- 分段
- 分页
- 多级页表
- 快表(TLB)
- 段页式
- Linux
Linux 内存管理 | 物理内存管理：内存碎片、伙伴系统、slab分配器
Linux 内存管理 | 虚拟内存管理：虚拟内存空间、虚拟内存分配
在前两篇博客中，我介绍了虚拟内存与物理内存的管理方式，那么对于操作系统来说，它是如何管理它们两个之间的关系的呢?如何进行地址的映射呢?
在早期的计算机中，程序是直接运行在物理内存上的，所以其通常都会面临以下几种问题
- 地址空间不隔离
- 内存使用效率低
- 程序运行的地址不确定
为了解决这些问题，我们又引入了虚拟内存这个概念，但是虚拟内存是如何解决这个问题的呢？它与物理内存又是如何进行映射的呢？这就是本篇博客所要讲的内容。
对于操作系统来说，通常解决这个问题的方式有三种，一种是内存分页，另一种是内存分段，以及两者相结合的段页式。
分段
在最开始时，人们采用的是分段的方法，为了简化地址管理，所以将虚拟内存空间中的虚拟内存按照其逻辑划分为代码段、数据段、堆段、栈段几部分
通过段寄存器中的段表，来将虚拟地址与物理地址进行映射。段表中存储了每一个逻辑段的段号对应的物理内存的起始地址。
对于每一个在虚拟内存中存储的数据，其虚拟地址都以其所在的段号以及段内偏移组成。
因此虚拟地址与物理地址的转换方式如下
- 根据虚拟地址中的段号查询段表
- 根据段表查询到对应的段的物理内存起始地址
- 物理内存起始地址加上段内偏移，即为其对应的物理地址
如上图，例如变量A段号为2，段内偏移为500。首先根据段号查询段表，得知物理内存起始地址位于3000的位置，接着找到对应的起始地址，加上段内偏移500，此时3500的位置即为其对应的物理地址。
通过分段的方式，我们解决了上面所说的问题1和问题3，但是对于内存的使用效率，分段仍然存在以下两个问题
- 内存碎片
- 内存交换的效率低
为什么会存在内存碎片的问题呢？
在上面的讲解中可以看出，在分段存储中，一个段内可能保存有多个变量，而这些变量都是从同一个物理地址起始位置开始偏移。因此在物理内存中，同一个段中的数据使用了连续的地址空间。
例如我们有1G的物理内存，倘若我们运行了512M的程序A，接着运行了128M的程序B，128M的程序C。剩余内存为256M
倘若我们此时结束程序B，释放内存，此时总剩余空间为384M
倘若我们此时需要运行300M的进程D，但是这时候就会因为剩余空间不连续，导致我们的程序无法运行，这也就是我们常说的内存外碎片问题。
那么如何解决这个问题呢？这就会使用到内存交换。例如上面那种情况，我们就会将程序C写入硬盘的SWAP分区(交换分区，用于内存和硬盘的空间交换)。紧接着再将其从硬盘中读取回来，让其紧挨着程序A的那块内存，这样就能保证后面的空闲内存都是连续的了。
为什么内存交换的效率低呢？
由于分段对物理内存的映射是以程序为单位，按照其逻辑进行分段映射，如果我们的内存不足，那么被换入换出到硬盘中的都是整个程序，这样就必然会造成大量的磁盘访问操作，总所周知，磁盘IO的速度特别慢，因此就会严重影响我们的访问速度。
根据程序的局部性原理，当一个程序在运行时，在某个时间段内，它只是频繁地用到了一小部分数据，也就是说程序中的很多数据其实在一个时间段内都是不会被用到的。
而我们分段的最大问题就在于其以程序为单位进行映射，因此我们只需要使用更小粒度的存储单位，就可以解决这个问题，大大的提升内存的使用率。因此在后续的设计中，就以页作为基本单位，这也就是分页机制的由来
分页
分页就是将内存空间人为地划分成固定大小的页，每一页地大小由硬件决定，在Linux中，一页是4KB
与段表类似，虚拟地址与物理地址的映射是通过MMU(内存管理单元)中的页表来完成的。
页表中不仅保存了页号，物理内存地址，还保留了该物理页的访问权限，用以实现对页的访问控制
在分页机制下，虚拟地址由页号以及页内偏移组成
因此在分页机制下，虚拟地址与物理地址的转换方式如下
- 根据虚拟地址中的页号查询页表
- 根据页表查询到对应的页的物理内存起始地址
- 物理内存起始地址加上页内偏移，即为其对应的物理地址
如下图
当进程需要访问物理地址时，此时CPU就会通过MMU中的页表，来找到对应的物理地址。
讲了这么多，再次回到之前的问题，分页是如何解决分段的内存利用率低的问题的呢？
主要就是依靠以下两方面来完成的
1、使用更低粒度的内存单位
分段所面临的最大问题，无非就是内存碎片以及交换效率低。
导致内存碎片最大的原因就是各个逻辑段的数据需要连续存储，而逻辑段又过大，导致我们需求大量的连续空间。而当我们所有的内存分配释放都以页为单位时，就能够很好的解决这个问题了。
而当内存空间不够时，我们需要进行将内存中的数据暂时写入到硬盘中，之后再重新写回来这样的换入换出操作。而使用页为单位后，即使我们还是需要进行磁盘IO，但是由于我们交换的容量仅仅只有几个页，所以也不会花费过多的时间。
2、不需要将程序一次性加载进内存，什么时候需要，什么时候加载。
按照前面说的，为了满足程序的局部性原理。所以为了能够尽可能提高内存的利用率，在建立了虚拟内存空间后并不会直接分配物理内存，而是在我们程序运行中需要用到的时候，再将其加载进内存中。
所以如果在页表中查找不到时，此时就会由内核的请求分页机制产生缺页中断，然后进入内核态中分配物理内存、更新进程页表，最后再返回用户态，恢复进程的运行。
在上面所介绍的页表中，有一个非常致命的缺点，就是空间占用大。
在 Linux中，可以并发的执行多个进程，而每个进程都有其自己的虚拟内存空间，那么也自然都有自己独有的页表。在32位Linux系统下，我们的虚拟内存空间的大小为4G，而每页的大小为4K,这也就意味着我们至少有2^20个内存页，倘若每个页表项为4Byte，那么每个页表大小也至少为4M。
倘若我们此时并发了两百个进程，那么占用则高达800M，即使是在现在，这个数字也是非常庞大的，因为并发数百个进程是非常常见的情况，更别提64位的操作系统，随着寻址范围的增加，页表将更为庞大。
为了解决这个问题，就引入了多级页表。
多级页表
我们将一级页表再进行分页，分成1024个二级页表，并且每个二级页表中存有1024个页表项，形成如下的二级分页的结构。
虽然分级乍一看花费的物理内存变多了，但是实际上对于大多数程序来说，其使用到的空间远未达到 4G，所以会存在部分对应的页表项都是空的，根本没有分配。而对于已分配的页表项，如果存在最近一定时间未访问的页表，在物理内存紧张的情况下，操作系统会将页面换出到硬盘，也就是说不会占用物理内存。
如果某个一级页表的页表项没有被用到，也就不需要创建这个页表项对应的二级页表了，即可以在需要时才创建二级页表。假设每个二级页表大小为4M(1024 * 4K)，而我们用到的一级页表只有20%
在这种情况下，页表所占用的物理内存就只有4K + 20% * 4M，即0.804M，比起只用了一级页表的4M，大大的节约了内存。
而在64位系统中，两级页表是肯定不够用的，因此又演变成了四级目录
- 全局页目录项 PGD
- 上层页目录项 PUD
- 中间页目录项 PMD
- 页表项 PTE
结构如下图所示
快表(TLB)
多级页表虽然解决了空间占用大的问题，但是由于其复杂化了地址的转换，因此也带来了大量的时间开销，使得地址转换速度减慢。
如果要解决这个问题，那么最简单的方式就是降低查询页表的频率，那么如何实现呢？这时候就需要用到缓存的技术
与我之前在Redis系列博客中所提到的，对于热点资源，我们可以将其提前缓存下来，到以后使用时就可以直接到缓存中查找。对于操作系统来说，也是这么一个道理。
在操作系统中，这个缓存就是CPU中的TLB，也就是我们通常所说的快表。我们将最常访问的几个页表项存储到TLB中，在之后进行寻址时，CPU就会先到TLB中进行查找，如果没有找到，这时才会去查询页表。
段页式
虽然分段和分页各有优缺点，但他们直接并不是对立的，所以如今大部分的内存管理方式，都是将分段与分页相结合，也就是我们常说的段页式
它的原理非常简单，就是先对虚拟内存空间进行分段管理，然后再对每一个段进行分页管理。如下图
所以此时的虚拟地址结构，就由段号、段内页号、页内偏移所组成。此时对于每个进程来说，都会建立一个段表，而对于段表中的每一个段，又会再分别建立一个页表，如下图
所以此时的虚拟地址转换为物理地址，就需要以下三个步骤
- 访问段表，得到页表的起始地址
- 访问页表，得到物理页的起始地址
- 访问物理页，加上页内偏移，得到实际的物理地址
这种方法虽然增加了系统开销以及硬件成本，但是内存的利用率得到了巨大的提升。
Linux
由于硬件问题的限制，Linux 内存主要采用的是页式内存管理，但同时也不可避免地涉及了段机制。
在往常的机制中，地址的转换流程如下
但是在Linux中，并没有逻辑地址这一说(所有段起始地址相同)，因为其将段机制进行了弱化，此时段只用于进行访问控制以及内存保护
Linux 系统中的每个段都是从 0 地址开始的整个 4GB 虚拟空间（32 位环境下），也就是所有的段的起始地址都是一样的。
这意味着，Linux系统中的代码，包括操作系统本身的代码和应用程序代码，所面对的地址空间都是线性地址空间（虚拟地址），这种做法相当于屏蔽了处理器中的逻辑地址概念，段只被用于访问控制和内存保护。
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