SO2 课程 07——内存管理

内存管理

• 物理内存管理
  • 页面分配
  • 小型分配
• 虚拟内存管理
• 缺页错误处理概述

物理内存管理

• 跟踪物理内存页面的算法和数据结构
• 独立于虚拟内存管理
• 完整的内存管理同时需要虚拟内存管理和物理内存管理
• 物理页面使用特殊的数据结构进行跟踪：struct page
• 每个物理页面都在 mem_map 向量中保留有一个条目
• 物理页面的状态可能包括：页面使用计数器，位于交换区（swap）或文件中的位置，该页面的缓冲区，页面缓存（page cache）中的位置等。

内存区域

• DMA 区域
• DMA32 区域
• 正常区域（LowMem）
• 高内存区域（HighMem）
• 可移动区域（Movable Zone）

非均匀内存访问

• 物理内存被分割成多个节点（node），每个 CPU 对应一个节点
• 每个节点都可以访问单个物理地址空间
• 访问本地内存更快
• 每个节点维护自己的内存区域（例如 DMA、NORMAL、HIGHMEM 等）

页面分配

/* 分配 2^order 个连续页面，并返回指针，指针指向第一个页面的描述符 */
struct page *alloc_pages(gfp_mask, order);

/* 分配单个页面 */
struct page *alloc_page(gfp_mask);


/* 返回内核虚拟地址的辅助函数 */
void *__get_free_pages(gfp_mask, order);
void *__get_free_page(gfp_mask);
void *__get_zero_page(gfp_mask);
void *__get_dma_pages(gfp_mask, order);

为什么只以 2 的幂次分配页面？

• 典型的内存分配算法具有线性复杂度
• 为什么不使用分页？
  • 有时我们确实需要连续的内存分配（用于 DMA）
  • 分配将需要页表更改和 TLB 刷新
  • 无法使用扩展页面
  • 一些体系结构直接（在硬件中）线性映射地址空间的一部分（例如 MIPS）

伙伴算法

• 空闲块被分布在多个列表中
• 每个列表包含相同大小的块
• 块的大小是 2 的幂次

小型分配

• 伙伴系统被用于分配页面
• 许多内核子系统需要分配小于一页的缓冲区
• 典型解决方案：可变大小的缓冲区分配
  • 导致外部碎片
• 另一种解决方案：固定大小的缓冲区分配
  • 导致内部碎片
• 折中方案：使用多种固定大小的块分配，几何分布
  • 例如：32、64、...、131056

缓存描述符

• 用于标识缓存的名称，用于统计信息
• 对象的构造函数和析构函数
• 对象的大小
• 标志
• 以 2 的幂次表示的页数作为 slab 的大小
• GFP 掩码
• 一个或多个 slab，按状态分组：满、部分满、空

通用缓存与特定缓存

• 通用缓存在 SLAB 分配器内部使用
  • 为缓存和 SLAB 描述符分配内存
• 它们也用于通过实现 kmalloc()，具体实现方法为使用 20 种对象大小在 32 字节到 4MB 之间呈几何分布的缓存来实现
• 特定缓存是由内核子系统根据需要动态创建的

对象描述符

对象描述符

• 仅用于空闲对象
• 整数，指向下一个空闲对象
• 最后一个空闲对象使用终止值
• 内部描述符——存储在 slab 中
• 外部描述符——存储在通用缓存中

虚拟内存管理

• 在内核和用户空间中都使用
• 使用虚拟内存需要：
  • 在*虚拟*地址空间中保留（分配）一个段（无论是内核还是用户）
  • 为缓冲区分配一个或多个物理页面
  • 为页表和内部结构分配一个或多个物理页面
  • 将虚拟内存段映射到分配的物理页面上

地址空间描述符

地址空间描述符

• 页表由以下之一使用：
  • CPU 的 MMU
  • 内核，用于处理 TLB 异常（一些 RISC 处理器）
• 地址空间描述符由内核用于维护高级信息，例如文件和文件偏移（对于使用文件的 mmap），只读段，写时复制段等。

分配虚拟内存

• 在地址空间描述符中搜索一个空闲区域
• 为新的区域描述符分配内存
• 将新的区域描述符插入地址空间描述符中
• 为一个或多个页表分配物理内存
• 在虚拟地址空间中设置新分配区域的页表
• （按需）分配物理页面，并通过更新页表将它们映射到虚拟地址空间中

释放虚拟内存

• 移除区域描述符
• 释放区域描述符内存
• 更新页表以从虚拟地址空间中删除该区域
• 刷新已释放虚拟内存区域的 TLB
• 释放与已释放区域相关联的页表的物理内存
• 释放已释放虚拟内存区域的物理内存