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頁(yè)： 主要指一組數(shù)據(jù)，可能保存在ram中也可能保存在磁盤里，主要強(qiáng)調(diào)一頁(yè)數(shù)據(jù)；通常用固定大小（4K或4M）的頁(yè)來(lái)描述邏輯地址空間
頁(yè)框：限指RAM中的頁(yè)，跟頁(yè)大小一致；通常用頁(yè)框來(lái)描述物理內(nèi)存空間；
頁(yè)表：頁(yè)表由頁(yè)表項(xiàng)組成，每一個(gè)頁(yè)表項(xiàng)指向一個(gè)頁(yè)框

X86提供了分段和分頁(yè)的內(nèi)存尋址方式，見(jiàn)下圖：

分段邏輯地址到線性地址轉(zhuǎn)換圖

二級(jí)頁(yè)表轉(zhuǎn)換圖

邏輯地址到物理地址轉(zhuǎn)換圖
具體參考http://blog.csdn.net/p0303230/archive/2007/12/24/1965094.aspx。

現(xiàn)在操作系統(tǒng)依靠特殊的硬件特性來(lái)禁止用戶程序直接與底層硬件部分進(jìn)行交互、或者禁止直接訪問(wèn)任意的物理地址。對(duì)于x86而言，這也是實(shí)模式和保護(hù)模式所完成的功能。

在x86架構(gòu)中，邏輯地址需要經(jīng)過(guò)分段、分頁(yè)過(guò)程轉(zhuǎn)為實(shí)際的物理地址，這是一個(gè)映射的過(guò)程，是由硬件規(guī)定的。但是，如何映射，映射規(guī)則是什么，則是軟件決定的，實(shí)際上這也是linux 內(nèi)核的一個(gè)重要功能。可以說(shuō)映射操作由cpu和MMU共同完成，但映射規(guī)則由內(nèi)核制定。
Linux 內(nèi)核內(nèi)存映射規(guī)則的實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)建立合適的內(nèi)核頁(yè)表來(lái)完成。

內(nèi)核代碼運(yùn)行在0xc00000000-0xffffffff 的地址空間范圍，供1G。對(duì)內(nèi)核而言，顯然它應(yīng)該具備訪問(wèn)整個(gè)物理RAM的功能，這里即存在如下問(wèn)題：

• 內(nèi)核應(yīng)首先建立自己的頁(yè)表，以便內(nèi)核本身能尋址物理RAM
• 內(nèi)核本身的地址空間只有1G（0xc00000000-0xffffffff），對(duì)于RAM大于1G時(shí)，內(nèi)核如何尋址？

內(nèi)核頁(yè)表的建立分為兩個(gè)階段，即臨時(shí)內(nèi)核頁(yè)表和最終內(nèi)核頁(yè)表：

臨時(shí)內(nèi)核頁(yè)表是在內(nèi)核編譯過(guò)程靜態(tài)初始化的，這就是說(shuō)內(nèi)核編譯時(shí)就先指定了映射規(guī)則，這樣保證內(nèi)核被加載后cpu就能正確找到內(nèi)核代碼并執(zhí)行。內(nèi)核引導(dǎo)加載程序?qū)?nèi)核代碼加載到0×100000（1MB）處（前1MB的部分物理內(nèi)存通常被BIOS使用，為避免把內(nèi)核裝入一組不連續(xù)的頁(yè)框里，linux干脆將內(nèi)核加載到1MB后）。通常編譯后內(nèi)核是小于7MB的，因此臨時(shí)內(nèi)核頁(yè)表的目的就是要保證能對(duì)這前8MB的物理RAM尋址，即將0×00000000~0x007fffff的物理內(nèi)存映射到線性地址0xc00000000~0xc07fffff的線性地址。為建立這前8MB的映射，需要兩個(gè)頁(yè)表、同時(shí)在頁(yè)目錄表中占用2項(xiàng)。

臨時(shí)頁(yè)全局目錄存放在swapper_pg_dir變量中，內(nèi)核把swapper_pg_dir所有項(xiàng)都填充為0,除0、1、0×300(十進(jìn)制768)和0×301(十進(jìn)制769)除外，后兩項(xiàng)包含了從0xc0000000到0xc07fffff間的所有線性地址。

在前面的討論中，一直存在一個(gè)為難題，即內(nèi)核本身的地址空間只有1G（0xc00000000-0xffffffff），對(duì)于RAM大于1G時(shí)，內(nèi)核如何尋址? 因此顯然RAM等于1G是一個(gè)分界點(diǎn)；另外，對(duì)32位的機(jī)器而言，通產(chǎn)其線性地址空間為0~4G范圍，當(dāng)RAM大于4G時(shí)如何尋址（主要針對(duì)cpu物理模型支持地址擴(kuò)展PAE時(shí)）？ 因此4G又是另一個(gè)分界點(diǎn)。

Linux的實(shí)現(xiàn)采用固定+動(dòng)態(tài)映射的方式來(lái)解決上述問(wèn)題。 具體做法是，內(nèi)核建立0~896MB的內(nèi)核映射,即將0xc0000000-0xf0000000映射到物理內(nèi)存前896MB；而對(duì)后128MB的線性地址空間（0xf000000~0xffffffff）采用動(dòng)態(tài)映射方法，即根據(jù)需要映射到內(nèi)存896MB以后的任意地址。具體實(shí)現(xiàn)機(jī)制請(qǐng)參考<<深入理解linux內(nèi)核>>。

上圖是linux內(nèi)核地址空間布局圖。內(nèi)核地址從PAGE_OFFSET(通常定義為3G，即通常說(shuō)的0-3G為用戶地址空間，3G-4G為內(nèi)核地址空間)開(kāi)始，接下來(lái)是內(nèi)核映像（.text等可執(zhí)行代碼區(qū)）；再接下來(lái)是mem_map數(shù)組，屬于內(nèi)核分配的動(dòng)態(tài)內(nèi)存區(qū)，占用約為整個(gè)RAM的1%；接下來(lái)是隔離區(qū)；接下來(lái)就是vmalloc區(qū)域；接著又是隔離區(qū)；接著為從PKMAP_BASE到FIXADDR_START的由kmap()函數(shù)映射高端內(nèi)存區(qū)；接著是從FIXADDR_START到FIXADDR_TOP是一個(gè)固定大小的線形地址空間，屬于專用頁(yè)面映射區(qū)；最后128K為隔離區(qū)。最后說(shuō)一下隔離帶的作用，主要用于監(jiān)測(cè)內(nèi)存越界等。

本節(jié)主要介紹頁(yè)框管理和內(nèi)存區(qū)管理。頁(yè)框管理關(guān)注以頁(yè)為單位的管理；內(nèi)存區(qū)管理是運(yùn)行在頁(yè)框管理之上的RAM管理，但重點(diǎn)關(guān)注具有連續(xù)的物理地址和任意長(zhǎng)度的內(nèi)存但與序列的管理。這兩個(gè)管理重點(diǎn)需要解決的問(wèn)題分別是，頁(yè)框管理重點(diǎn)在于解決內(nèi)存外碎片問(wèn)題，而內(nèi)存區(qū)管理需要解決的是內(nèi)存內(nèi)碎片問(wèn)題。

頁(yè)框管理，顧名思義，就是以頁(yè)為單位，kernel管理內(nèi)存的一種機(jī)制。內(nèi)核必須能區(qū)分哪些頁(yè)框?qū)儆谶M(jìn)程，而哪些頁(yè)框?qū)儆趦?nèi)核代碼或內(nèi)核數(shù)據(jù)；以及哪些頁(yè)框是空閑的等等。頁(yè)框的狀態(tài)信息保存在page數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，page結(jié)構(gòu)稱之為頁(yè)描述符。而所有的頁(yè)描述符存放在mem_map數(shù)組中，每個(gè)頁(yè)描述符長(zhǎng)度為32字節(jié)，所以mem_map所需要的空間略小于整個(gè)RAM的1%.

受硬件歷史的約束，不同地址的內(nèi)存頁(yè)框曾經(jīng)被硬件用于一些特定目的，即不同地址內(nèi)的頁(yè)框可能在某個(gè)時(shí)期被某個(gè)硬件特別使用，因此，不能把所有的頁(yè)框當(dāng)做同一類型來(lái)處理。Linux內(nèi)核采用管理區(qū)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)頁(yè)框管理，即將不同類型的頁(yè)框劃歸到不同管理區(qū)。具體存在如下三類管理區(qū)：

• ZONE_DMA 包含低于16MB的內(nèi)存頁(yè)框
• ZONE_NORMAL 包含16~896MB之間的頁(yè)框
• ZONE_HIGHMEM 896MB以上的內(nèi)存頁(yè)框

ZONE_DMA和ZONE_NORMAL管理區(qū)內(nèi)的頁(yè)框被直接映射到0xc0000000-0xf0000000的線性地址空間內(nèi)，內(nèi)核可以直接訪問(wèn)；而ZONE_HIGHMEM盡管也被映射到內(nèi)核地址空間內(nèi)，但內(nèi)核不能直接訪問(wèn)。

在采用alloc_pages(gfp_mask)等請(qǐng)求分配頁(yè)框的函數(shù)中，gfp_mask 是一組標(biāo)志，包括__GFP_DMA,__GFP_HIGHMEM等，用于請(qǐng)求在某個(gè)特定管理區(qū)內(nèi)分配頁(yè)框。

內(nèi)核采用伙伴系統(tǒng)算法作為頁(yè)框的分配、釋放算法。 內(nèi)核應(yīng)該為分配一組連續(xù)的頁(yè)框而建立一種健壯、高效的分配策略?；锇樗惴苡行У目刂仆馑槠某霈F(xiàn)。其原理如下：

把所有的空閑頁(yè)面分為10個(gè)塊組，每組中塊的大小是2的冪次方個(gè)頁(yè)面，例如，第0組中塊的大小都為2⁰（1個(gè)頁(yè)面），第1組中塊的大小為都為2¹（2個(gè)頁(yè)面），第9組中塊的大小都為2⁹（512個(gè)頁(yè)面）。也就是說(shuō)，每一組中塊的大小是相同的，且這同樣大小的塊形成一個(gè)鏈表?？梢酝ㄟ^(guò)查看/proc/buddyinfo 來(lái)了解內(nèi)核伙伴算法的信息。

內(nèi)存區(qū)管理主要關(guān)注具有連續(xù)的物理地址和任意長(zhǎng)度的內(nèi)存但與序列的管理?；锇橄到y(tǒng)采用頁(yè)框作為管理單元，但如何處理小內(nèi)存區(qū)的請(qǐng)求呢？例如幾十或幾百個(gè)字節(jié)。如果為了分配一小片內(nèi)存而分配一個(gè)整頁(yè)框顯然是浪費(fèi)。對(duì)于內(nèi)存區(qū)的管理主要需要解決的是內(nèi)碎片問(wèn)題，內(nèi)碎片的產(chǎn)生主要由于請(qǐng)求的大小跟分配給它的大小不匹配導(dǎo)致的。

內(nèi)核采用slab分配器來(lái)解決上內(nèi)碎片問(wèn)題。

進(jìn)程地址空間是一個(gè)非負(fù)整數(shù)地址的有序集合：{0,1,2….}.程序員在編寫應(yīng)用程序，顯然需要關(guān)心它的程序所運(yùn)行的機(jī)器具有多大的RAM，哪些RAM又是空閑的。實(shí)質(zhì)上，對(duì)于x86 （32bit）機(jī)器來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)假設(shè)它獨(dú)立運(yùn)行在0-4G的地址空間里；即鏈接器將代碼按照0-3G（最后1G留給內(nèi)核）的地址來(lái)分配其邏輯地址，例如通常0×08048000用于.text段，這可以通過(guò)修改ld的鏈接腳本來(lái)設(shè)置新數(shù)值。 但這帶來(lái)了一個(gè)新的問(wèn)題，就是內(nèi)核如何管理進(jìn)程的地址空間呢？ 顯然內(nèi)核需至少要知道如下信息:

• 當(dāng)前哪個(gè)區(qū)域的地址空間是未使用的？
• 如何將某個(gè)文件跟進(jìn)程的具體地址空間關(guān)聯(lián)，即添加使用地址空間；
• 缺頁(yè)異常時(shí)，內(nèi)核如何加載新的數(shù)據(jù)到RAM中？

這些都通過(guò)內(nèi)核的VMA的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表述某段地址空間，內(nèi)核稱之為線性區(qū)。線性區(qū)代表了一個(gè)范圍內(nèi)的連續(xù)的進(jìn)程地址空間的集合，這些地址空間邏輯上具有共同的特征，例如被映射到了同一個(gè)文件等。所有的線性區(qū)通過(guò)鏈表連接起來(lái)，最終就構(gòu)成了進(jìn)程的地址空間。

每個(gè)進(jìn)程擁有的線性區(qū)數(shù)量有進(jìn)程本身決定的，可能很多，也可能很少。因此如何管理線性區(qū)，如何高效的增加、刪除、查找線性區(qū)是內(nèi)核的重要內(nèi)容。當(dāng)前，內(nèi)核采用紅黑樹的結(jié)構(gòu)來(lái)管理線性區(qū)。對(duì)線性區(qū)的操作，如查到、增加、刪除等實(shí)質(zhì)也都牽涉到紅黑樹的操作，這些事線性區(qū)管理最核心的部分，關(guān)于紅黑樹的具體內(nèi)容請(qǐng)參考書籍《深入理解linux內(nèi)核》
線性區(qū)實(shí)現(xiàn)的另一個(gè)重要內(nèi)容是訪問(wèn)權(quán)限控制，例如可讀、可寫、可執(zhí)行的等等。

在linux中，對(duì)內(nèi)核申請(qǐng)內(nèi)存和應(yīng)用程序申請(qǐng)內(nèi)存采用不同的策略：

• 內(nèi)核申請(qǐng)內(nèi)存被認(rèn)為是緊迫的，具有最高優(yōu)先級(jí)，應(yīng)該立即處理，即分配物理RAM；
• 內(nèi)核信任自己。即假設(shè)內(nèi)核函數(shù)都是沒(méi)有錯(cuò)誤的，因此無(wú)需插入任何保護(hù)措施代碼

而對(duì)用戶程序而言，情況完全不同：

• 不緊迫的，假設(shè)進(jìn)程并不會(huì)立即使用這段內(nèi)存，因此會(huì)推遲分配真實(shí)的物理RAM，例如加載某個(gè)exe文件，進(jìn)程并不會(huì)對(duì)所有的代碼頁(yè)都訪問(wèn)
• 用戶進(jìn)程是不可信任的，因此內(nèi)核應(yīng)能隨時(shí)捕獲用戶態(tài)進(jìn)程引起的內(nèi)存錯(cuò)誤

上述策略的核心不同就在于內(nèi)存分配的時(shí)機(jī)，對(duì)內(nèi)核而言是立即分配；而對(duì)用戶進(jìn)程而言，是推遲分配，準(zhǔn)確說(shuō)是按需分配，即真正需要時(shí)才分配。   實(shí)現(xiàn)按需分配的核心就是缺頁(yè)異常處理。

當(dāng)cpu訪問(wèn)的頁(yè)不在RAM主存中時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致缺頁(yè)異常中斷。在linue 內(nèi)核中，對(duì)缺頁(yè)中斷處理的大致邏輯是：

• 判斷訪問(wèn)的地址是否屬于當(dāng)前進(jìn)程的地址空間，即在當(dāng)前的線性區(qū)里面是否包含了該地址
• 如果未包含并且異常發(fā)生在用戶態(tài)則產(chǎn)生SIGSEGV 段錯(cuò)誤信號(hào)；如果未包含且發(fā)生在內(nèi)核態(tài)，則內(nèi)核錯(cuò)誤并殺死進(jìn)程；
• 如果包含，檢查訪問(wèn)類型以及權(quán)限等；一切都匹配后，找出匹配的線性區(qū)，并根據(jù)該線性區(qū)信息將實(shí)質(zhì)數(shù)據(jù)（例如在磁盤上，映射了某個(gè)文件）copy到主存中（或者其它處理，根據(jù)具體的數(shù)據(jù)需求），并設(shè)置好相關(guān)頁(yè)表。

這個(gè)過(guò)程牽涉到兩個(gè)重要的技術(shù)，請(qǐng)求調(diào)頁(yè)和寫時(shí)復(fù)制。

• 請(qǐng)求調(diào)頁(yè)指的是一種動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配技術(shù)，它把頁(yè)框分配推遲到不能再推遲為止，即推遲到了缺頁(yè)異常；例如訪問(wèn)的頁(yè)目前還沒(méi)放到任何頁(yè)框中，內(nèi)核不得不分配一個(gè)頁(yè)框并適當(dāng)初始化；
• 寫時(shí)復(fù)制，主要用于請(qǐng)求的頁(yè)框存在，但是標(biāo)志為只讀，而當(dāng)前進(jìn)程需要寫這個(gè)頁(yè)框，這時(shí)內(nèi)核分配新的頁(yè)框并復(fù)制原來(lái)頁(yè)框中的內(nèi)容。寫時(shí)復(fù)制技術(shù)主要是采用一種共享頁(yè)框的概念來(lái)減少頁(yè)框的使用。例如通過(guò)fork產(chǎn)生子進(jìn)程時(shí)，沒(méi)有必要把父進(jìn)程的所有頁(yè)框（包括頁(yè)表結(jié)構(gòu)占用的頁(yè)框）都復(fù)制到一片全新的頁(yè)框中；linux采用的策略是共享，即所有頁(yè)框被共享，但為只讀狀態(tài)；只有在寫的操作發(fā)生時(shí)才會(huì)導(dǎo)致copy、分配新的頁(yè)框。在內(nèi)核實(shí)質(zhì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，通過(guò)頁(yè)描述符中的_count計(jì)數(shù)字段來(lái)跟蹤共享相應(yīng)頁(yè)框的進(jìn)程數(shù)目。

在linux中，隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，頁(yè)框逐漸被分配，為防止內(nèi)存被耗盡，系統(tǒng)需要“定期”運(yùn)行頁(yè)框回收算法。其主要原理就是將一些暫時(shí)不用的頁(yè)框，例如未運(yùn)行的進(jìn)程占用的頁(yè)框，交換到swap空間中，以回收頁(yè)框；下一次使用這些頁(yè)框時(shí)再?gòu)膕wap空間將數(shù)據(jù)拷入新的頁(yè)框中。這也是為什么你的應(yīng)用程序所實(shí)際需要的內(nèi)存可以超過(guò)整個(gè)RAM的原因，因?yàn)槟愕拇疟P也可以當(dāng)做“RAM”來(lái)使用，存放臨時(shí)數(shù)據(jù)。

Linux的頁(yè)框回收算法（PFRA）不回收下列類型的頁(yè)框：

• 空閑頁(yè)框
• 保留頁(yè)（PG_reserved）, 主要包括含有內(nèi)核代碼和內(nèi)核數(shù)據(jù)的頁(yè)框
• 內(nèi)核動(dòng)態(tài)分配頁(yè)， 例如在驅(qū)動(dòng)中通過(guò)kmalloc申請(qǐng)的內(nèi)存
• 進(jìn)程內(nèi)核態(tài)堆棧頁(yè)
• 臨時(shí)鎖定頁(yè)（PG_locked ）
• 內(nèi)存鎖定頁(yè)(VM_LOCKED)

這些頁(yè)框不會(huì)被回收，也就是說(shuō)這些頁(yè)不會(huì)被交換出去，即他們是常駐RAM中，系統(tǒng)啟動(dòng)一旦分配后就常駐內(nèi)存，這也是我們常說(shuō)的系統(tǒng)占用內(nèi)存。

能被回收的頁(yè)框主要是用戶態(tài)進(jìn)程申請(qǐng)的頁(yè)框和內(nèi)核高速緩存。

對(duì)于一個(gè)進(jìn)程而言，用戶程序跟內(nèi)核協(xié)作共同完成某項(xiàng)功能。只不過(guò)內(nèi)核是系統(tǒng)啟動(dòng)加載后常駐內(nèi)存，用戶程序通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用（int 0×80）來(lái)執(zhí)行內(nèi)核代碼；而且內(nèi)核代碼是被多個(gè)進(jìn)程共享使用的，這也是處處要求內(nèi)核代碼必須是可重入的原因。

Linux的分段分頁(yè)機(jī)制，http://blog.csdn.net/p0303230/archive/2007/12/24/1965094.aspx

內(nèi)存觀點(diǎn)，http://www.linuxforum.net/forum/showflat.php?Cat=&Board=linuxK&Number=290225&page=&view=&sb=&o=&vc=1
《深入理解linux內(nèi)核》
《linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序》
《深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)》
《深入了解Linux虛擬內(nèi)存管理》

這篇文章也算紀(jì)念我的大學(xué)生活吧，曾記得大三那年我整日逃課，躲在圖書館看《linux內(nèi)核源代碼情景分析》，看懂了多少如今也早已忘了，只記得我整整幾個(gè)月基本都在圖書館度過(guò)；那時(shí)的我總以為內(nèi)核是最高深的，所以要努力學(xué)習(xí)。 大四的畢業(yè)設(shè)計(jì)也是關(guān)于嵌入式設(shè)備驅(qū)動(dòng)的，而且還在一家公司實(shí)習(xí)做了一個(gè)實(shí)際應(yīng)用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，前后性能提高很大，為此還被公司老總特別表?yè)P(yáng)過(guò)，在那對(duì)一個(gè)實(shí)習(xí)生而言已屬相當(dāng)難得了。 后來(lái)的生活卻是世事難料，研究生經(jīng)歷了很多故事；畢業(yè)后也沒(méi)有找到內(nèi)核相關(guān)的工作，很多公司給出的理由是內(nèi)核開(kāi)發(fā)需要有經(jīng)驗(yàn)的人，尤其是我當(dāng)時(shí)孤身一人從南方一所學(xué)校來(lái)到北京，而我們學(xué)校在這里沒(méi)有了競(jìng)爭(zhēng)力，盡管在南方還算受歡迎。

如今的我對(duì)內(nèi)核扔懷抱敬畏之心，但不再膜拜了。工程更多的是改變我們當(dāng)下的生活，而真正的改變未來(lái)、改變世界的是研究，是認(rèn)識(shí)哪些枯燥數(shù)字后面的規(guī)律。