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Linux是一款使用廣泛的操作系統(tǒng)，在很多場景下都能夠展現(xiàn)出其強大的性能。其中內(nèi)存管理作為其重要組成部分之一，也是Linux能夠高效運行的關(guān)鍵因素之一。在實際應(yīng)用中，Linux的內(nèi)存地址空間分配策略無疑是其中的一個方面，它能夠決定操作系統(tǒng)的可靠性和內(nèi)存使用率。接下來，我們將，幫助讀者更好地理解Linux內(nèi)存管理的實現(xiàn)原理。
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1. 內(nèi)核空間與用戶空間
操作系統(tǒng)的內(nèi)存地址空間一般被劃分為內(nèi)核空間和用戶空間兩個區(qū)域。用戶空間是指給用戶進(jìn)程分配的內(nèi)存空間，是進(jìn)程運行時使用的主要區(qū)域，其地址空間通常從0開始。而內(nèi)核空間則是一個專用的區(qū)域，為操作系統(tǒng)內(nèi)核所使用。Linux內(nèi)核空間的地址從0xC0000000開始，該空間被保護(hù)，并只能由內(nèi)核訪問。內(nèi)核空間包含了整個內(nèi)核代碼和相關(guān)數(shù)據(jù)，包括系統(tǒng)調(diào)用表，設(shè)備驅(qū)動程序等系統(tǒng)程序。
在一個Linux系統(tǒng)中，內(nèi)核空間與用戶空間是完全隔離的，內(nèi)核對用戶進(jìn)程的限制幾乎沒有任何限制。用戶進(jìn)程只能訪問自己所擁有的內(nèi)存空間，而內(nèi)核空間的內(nèi)容則完全無法訪問。在需要訪問內(nèi)核空間中的數(shù)據(jù)或程序時，用戶進(jìn)程必須通過系統(tǒng)調(diào)用，由內(nèi)核代表其完成特定的操作。
2. 內(nèi)存地址空間分配方法
Linux的內(nèi)存空間分配方法一般分為連續(xù)和離散兩種。在連續(xù)分配中，操作系統(tǒng)通過分配一個連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域來滿足進(jìn)程的內(nèi)存需求。而離散分配則是將進(jìn)程的內(nèi)存需求分散到物理內(nèi)存中的不同位置。其中，連續(xù)分配是最常用的內(nèi)存分配方式。當(dāng)需要建立新的進(jìn)程時，操作系統(tǒng)將先在進(jìn)程地址空間中分配一個空間作為代碼段、數(shù)據(jù)段和堆棧。
在Linux中，內(nèi)存分配的主要實現(xiàn)函數(shù)是alloc_pages和get_free_pages。這兩個函數(shù)分別用于分配具有特定參數(shù)的連續(xù)內(nèi)存塊和指定大小的內(nèi)存塊。此外，還有kmalloc函數(shù)，可以用來為內(nèi)核分配連續(xù)的小內(nèi)存塊。這些函數(shù)都是通過使用伙伴算法和SLAB/SLUB算法來優(yōu)化內(nèi)存分配的效率和速度的。
3. 伙伴和SLAB/SLUB算法
伙伴算法是一種內(nèi)存管理算法，它可以為需要內(nèi)存的應(yīng)用程序自動分配一些連續(xù)的內(nèi)存空間?；锇樗惴ň褪菍⑦B續(xù)的可用內(nèi)存塊劃分為不同的大小等級，每個等級中的內(nèi)存塊大小是2的次冪，如2^0, 2^1, 2^2等等。當(dāng)有一個請求分配內(nèi)存時，伙伴算法會從對應(yīng)大小的內(nèi)存塊鏈表中檢查是否有足夠大小的內(nèi)存塊可以分配。
SLAB/SLUB算法是另一種內(nèi)存管理算法。SLAB是Linux專門為內(nèi)核設(shè)計的內(nèi)存分配器，而SLUB則是一種新的內(nèi)存分配器，引入了SLAB上不能處理的一些機制。這兩種算法都是基于內(nèi)存池的概念，為用戶和內(nèi)核空間中的對象分配和釋放內(nèi)存。通過使用內(nèi)存池和內(nèi)存垃圾回收機制，可以幫助系統(tǒng)更好地管理內(nèi)存資源。
4. 內(nèi)核地址空間的映射
在Linux中，內(nèi)核使用虛擬地址來訪問其地址空間。當(dāng)使用虛擬地址時，需要將其轉(zhuǎn)換成物理地址。在物理存儲器與虛擬地址之間建立映射的過程被稱為內(nèi)存管理單元（MMU）。MMU在物理內(nèi)存和虛擬內(nèi)存之間建立了一張映射表，用于將虛擬地址映射到物理地址。
在Linux中，由于內(nèi)核空間是由內(nèi)核使用的，因此映射表在內(nèi)核初始化時已經(jīng)被構(gòu)建。在內(nèi)核的邏輯地址空間中，內(nèi)核空間突出了位于更高部分，并且具有系統(tǒng)映射的特殊屬性。這些屬性可用于訪問系統(tǒng)調(diào)用、顯存和一些硬件IO端口等系統(tǒng)資源。
：
以上就是Linux內(nèi)存地址空間分配的相關(guān)知識點介紹。雖然內(nèi)存管理對于普通用戶來說可能不是一個常見的話題，但是對于開發(fā)者和系統(tǒng)管理員來說，深入了解Linux內(nèi)存地址空間分配是非常必要的。這對于幫助他們更好地理解Linux系統(tǒng)的內(nèi)部工作原理，優(yōu)化系統(tǒng)性能有著重要的作用。因此，在實際應(yīng)用中，我們應(yīng)該注重優(yōu)化內(nèi)存管理以充分利用系統(tǒng)資源，提高應(yīng)用程序的性能和可靠性。
相關(guān)問題拓展閱讀：
- Linux內(nèi)存系統(tǒng)
- linux下查看內(nèi)存地址空間的分配
Linux內(nèi)存系統(tǒng)
——虛擬內(nèi)存定義
All about Linux swap space
Linux將物理RAM （Random Access Memory） 劃分為稱為頁面的內(nèi)存塊。交換是將一頁內(nèi)存復(fù)制到硬盤上的預(yù)配置空間（稱為交換空間）以釋放改內(nèi)存頁面上的過程。物理內(nèi)存和交換空間的組合就是可用的虛擬內(nèi)存量。
虛擬內(nèi)存的那點事兒
進(jìn)程是與其他進(jìn)程共享CPU和內(nèi)存資源的。為了有效的管理內(nèi)歷純存并減少出錯，現(xiàn)代操作系統(tǒng)提供了一種對主存的抽象概念，即：虛擬內(nèi)存（ Virtual Memory ）。
虛擬內(nèi)存為每個進(jìn)程提供一個一致的，私有的地址空間，每個進(jìn)程擁有一片連續(xù)完整的內(nèi)存空間。
正如 所說，虛擬內(nèi)存不只是“使用硬盤空間來擴展內(nèi)存”的技術(shù)。
虛擬內(nèi)存的重要意義是它定義了一個連續(xù)的虛擬地址空間，
使得程序編寫難度降低。并且，
把內(nèi)存擴展到硬盤空間只是使用虛擬內(nèi)存的必然結(jié)果，虛擬內(nèi)存空間會存在硬盤中，并且會被全部放入內(nèi)存中緩沖（按需），有的操作系統(tǒng)還會在內(nèi)存不夠的情況下，將一進(jìn)程的內(nèi)存全部放入硬盤空間中，并在切換到進(jìn)程時再從硬盤讀取
（這也是Windows會經(jīng)常假死的原因…）。
虛擬內(nèi)存主要提供了如下三個重要的能力：
內(nèi)存通常被組織為一個由M個連續(xù)的字節(jié)大小的單元組成的數(shù)組。每個字節(jié)都有一個唯迅爛氏一的物理地址 （Physical Address PA） ，作為到數(shù)組的索引。
CPU訪問內(nèi)存最簡單直接的方法就是使用物理地址，這種尋址方式稱為
物理尋址
。
現(xiàn)代計算機使用的是一種被稱為虛擬尋址 （Virtual Addressing） 的尋址方式。
使用虛擬尋址，CPU需要將虛擬地址翻譯成物理地址，這樣才能訪問到真實的物理內(nèi)存。
虛擬尋址需要硬件與操作系統(tǒng)之間相互合作。
CPU中含有一個被稱為內(nèi)存管理單元 （Memory Management Unit，MMU） 的硬件，它的功能是將虛擬地址轉(zhuǎn)換稱為物理地址，MMU需要借助存放在內(nèi)存中的 頁表 來動態(tài)翻譯虛擬地址，該頁表由操作系統(tǒng)管理。
分頁表是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它用于計算機操作系統(tǒng)中虛擬內(nèi)存系統(tǒng)，其存儲了虛擬地址到物理地址之間的映射。虛擬地址在訪問進(jìn)程中是唯一的，而物理地址在硬件（比如內(nèi)存）中是唯一的。
在操作系統(tǒng)中使用
虛擬內(nèi)存
，每個進(jìn)程會認(rèn)為使用一塊大的連續(xù)的內(nèi)存，事實上，每個進(jìn)程的內(nèi)存散布在
物理內(nèi)存
的不同區(qū)域?；蛘呖赡鼙徽{(diào)出到備份存儲中（一般是硬盤）。當(dāng)一個進(jìn)程請求自己的內(nèi)存，操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)把程序生成的虛擬地址，映射到實際存儲的物理內(nèi)存上。操作系統(tǒng)在
分頁表
中存儲虛擬地址到物理地址的映射。每個映射被稱為
分頁表項（page table entry ,PTE）
。
在一個簡單的地址空間方案中，由虛擬地址尋址的頁與物理內(nèi)存中的幀之間的關(guān)系。物理內(nèi)存可以包含屬于許多進(jìn)程的頁。如果不經(jīng)常使用，或者物理內(nèi)存已滿，可以將頁面分頁到磁盤。在上圖中，并非所有頁面都在物理內(nèi)存中。
虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換（即虛擬內(nèi)存的管理）、內(nèi)存保護(hù)、CPU高速緩存的控制。
現(xiàn)代的內(nèi)存管理單元是以
頁
的方式，分割虛擬地址空間（處理器使用的地址范圍）的；頁的大小是2的n次方，通常為幾KB（字節(jié)）。地址尾部的n位（頁大小的2的次方數(shù)）作為頁內(nèi)的偏移量保持不變。其余的地址位（address）為（虛擬）頁號。
內(nèi)存管理單元通常借助一種叫做轉(zhuǎn)譯旁觀緩沖器（Translation Lookaside Buffer，TLB）和相聯(lián)高速緩存來將虛擬頁號轉(zhuǎn)換為物理頁號。當(dāng)后備緩沖器中沒有轉(zhuǎn)換記錄時，則使用一種較慢的機制，其中包括專用硬件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或軟件輔助手段。這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)稱為
分頁表
，頁表中的數(shù)據(jù)叫做
分頁表項
（page table entry PTE）。物理頁號結(jié)合頁偏移量便提供了完整的物理地址。
頁表 或 轉(zhuǎn)換后備緩沖器數(shù)據(jù)項應(yīng)該包括的信息有：
有時候，TLB和PTE會
禁止對虛擬頁訪問
，這畝散可能是因為沒有RAM與虛擬頁相關(guān)聯(lián)。如果是這種情況，MMU將向CPU發(fā)出頁錯誤的信號，操作系統(tǒng)將進(jìn)行處理，也許會尋找RAM的空白幀，同時建立一個新的PTE將之映射到所請求的虛擬地址。如果沒有空閑的RAM，可能必須關(guān)閉一個已經(jīng)存在的頁面，使用一些替換算法，將之保存到磁盤中（這被稱為頁面調(diào)度）。
當(dāng)需要將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址時，首先搜索TLB，如果找到匹配（TLB）命中，則返回物理地址并繼續(xù)存儲器訪問。然而，如果沒有匹配（稱為TLB未命中），則MMU或操作系統(tǒng)TLB未命中處理器通常會查找
頁表
中的地址映射以查看是否存在映射（頁面遍歷），如果存在，則將其寫回TLB（這必須完成，因為硬件通過虛擬存儲器系統(tǒng)中的TLB訪問存儲器），并且重啟錯誤指令（這也可以并行發(fā)生）。此后續(xù)轉(zhuǎn)換找到TLB命中，并且內(nèi)存訪問將繼續(xù)。
虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換過程，如果虛擬內(nèi)存不存在與TLB，轉(zhuǎn)換會被重置并通過分頁表和硬件尋找。
通常情況下，用于處理此中斷的程序是操作系統(tǒng)的一部分。如果操作系統(tǒng)判斷此次訪問有效，那么
操作系統(tǒng)會嘗試將相關(guān)的分頁從硬盤上的虛擬內(nèi)存文件調(diào)入內(nèi)存。
而如果訪問是不被允許的，那么操作系統(tǒng)通常會結(jié)束相關(guān)的進(jìn)程。
雖然叫做“頁缺失”錯誤，但實際上這并不一定是一種錯誤。而且這一機制是利用虛擬內(nèi)存來增加程序可用內(nèi)存空間。
發(fā)生這種情況的可能性：
當(dāng)原程序再次需要該頁內(nèi)的數(shù)據(jù)時，如果這一頁確實沒有被分配出去，那么系統(tǒng)只需要重新為該頁在MMU內(nèi)注冊映射即可。
操作系統(tǒng)需要：
硬性頁缺失導(dǎo)致的性能損失是很大的。
另外，有些操作系統(tǒng)會將程序的一部分延遲到需要使用的時候再加載入內(nèi)存執(zhí)行，以此提升性能。這一特性也是通過捕獲硬性頁缺失達(dá)到的。
當(dāng)硬性頁缺失過于頻繁發(fā)生時，稱發(fā)生
系統(tǒng)顛簸。
具體動作與所使用的操作系統(tǒng)有關(guān)，比如Windows會使用異常機制向程序報告，而類Unix系統(tǒng)則使用信號機制。
盡管在整個運行過程中，程序引用不同的頁面總數(shù)（也就是虛擬內(nèi)存大?。┛赡艹隽宋锢泶鎯ζ鳎―RAM）總大小，但是程序常常在較小的活動頁面上活動，這個叫做工作集或者常駐集。在工作集被緩存后，對它的反復(fù)調(diào)用會使程序命中提高，從而提高性能。
大部分的程序都可以在存儲器獲取數(shù)據(jù)和讀取中達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，當(dāng)程序達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，存儲器的使用量通常都不會太大。虛擬內(nèi)存雖然可以有效率控制存儲器的使用，
但是大量的頁缺失還是造成了系統(tǒng)遲緩的主要因素。
當(dāng)工作集的大小超過物理存儲器大小，程序?qū)l(fā)生一種不幸的情況，這種情況稱為
“顛簸”
，頁面將不停的寫入、釋放、讀取，由于大量的丟失（而非命中）而損失極大性能。用戶可以增加隨機存取存儲器的大小或是減少同時在系統(tǒng)里運行程序的數(shù)量來降低系統(tǒng)顛簸的記錄。
推薦閱讀：
操作系統(tǒng)–分頁(一)
操作系統(tǒng)實現(xiàn)（二）：分頁和物理內(nèi)存管理
linux下查看內(nèi)存地址空間的分配
cat /proc/iomem
這個可以查看，但不太野帆詳細(xì)！
cat /高脊敏proc/interrupts 是中斷戚枝向量。
cat /proc/interrupts
如果僅僅是看分配的地址 這個就夠了
ldd 是查看某個可執(zhí)行二進(jìn)制程序所使用到的動態(tài)庫文件的吧？
ldd可以查看
關(guān)于linux 內(nèi)存地址空間的介紹到此就結(jié)束了，不知道你從中找到你需要的信息了嗎 ？如果你還想了解更多這方面的信息，記得收藏關(guān)注本站。
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本文名稱：深入了解Linux的內(nèi)存地址空間分配(linux內(nèi)存地址空間)
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