Linux内存管理机制的示例分析

Linux内存管理机制的示例分析

内存管理是操作系统中非常重要的一个组成部分，它负责将应用程序所需的内存分配给应用程序，并在应用程序不再使用内存时释放内存。

Linux内存管理机制主要通过两个数据结构来管理内存：页表和页框。页表是一个多级页表结构，用于映射虚拟地址到物理地址；页框是物理内存的基本单位，用于存储页表中映射的虚拟地址。

页表是一个多级页表结构，每一级页表都映射一个物理内存页面，页表结构如下所示：

页表结构

首先，页表结构包含一个页目录表（Page Directory Table，简称PDT），PDT中每一项对应一个页目录项（Page Directory Entry，简称PDE）。每个PDE中包含一个指向页表的指针，页表中每一项对应一个页表项（Page Table Entry，简称PTE）。每个PTE中包含一个指向页框的指针。

在Linux内核中，页表结构被称为页表项（Page Table Entry，简称PTE），页表项中包含了页框的物理地址和一些页框属性位，如读写属性位、存在属性位、访问属性位等。

页表项结构

页框是物理内存的基本单位，用于存储页表中映射的虚拟地址。页框大小通常是4KB，在64位系统中，页框大小可以是2MB或4MB。

页框分为两类：物理内存页框和交换页框。物理内存页框是应用程序可以直接使用的内存页框，交换页框是应用程序使用的内存页框的副本，存储在磁盘上。

当应用程序需要使用内存时，如果物理内存不足，则需要将内存页框交换到磁盘上。当应用程序需要使用交换页框中的内容时，需要将交换页框交换回物理内存。

页框分配

当应用程序需要使用内存时，内核首先检查页表中是否存在对应的页框，如果不存在，则需要分配一个新的页框。

页框分配的方式有两种：从物理内存中分配和从交换空间中分配。

从物理内存中分配

如果物理内存空闲，则可以直接从物理内存中分配页框。

从交换空间中分配

如果物理内存不足，则需要从交换空间中分配页框。交换空间是一个特殊的文件，用于存储页框的副本。

当应用程序需要使用内存时，如果物理内存不足，则需要将内存页框交换到交换空间中。当应用程序需要使用交换页框中的内容时，需要将交换页框交换回物理内存。

页框回收

当应用程序不再使用内存时，内核需要将内存页框回收。

页框回收的方式有两种：回收到物理内存中和回收到交换空间中。

回收到物理内存中

如果物理内存空闲，则可以直接将页框回收到物理内存中。

回收到交换空间中

如果物理内存不足，则需要将页框回收到交换空间中。

当应用程序不再使用内存时，如果物理内存不足，则需要将内存页框交换到交换空间中。当应用程序需要使用交换页框中的内容时，需要将交换页框交换回物理内存。