Linux内存子系统——Locking Pages(内存锁定)

该部分内容可以参考libc man page 3.5 LockingPages

概述

你可以让系统将特定的虚拟内存页与实际页帧相"关联"，并保持这样的状态（称为锁定）。该部分内存不会被swap机制交换出来，也不会产生pagefault（因为已经分配了实际的物理内存）。

为什么需要锁定内存

一个背景知识pagefault

用户在分配出一部分虚拟内存时，其背后可能并没有真正的物理内存与之对应，只有在用户真正需要访问内存时，系统才会为这段虚拟内存分配实际的物理内存，这个过程叫做pagefault（缺页异常）。这个过程对用户来说时不感知的，所以用户可以总是假定他要使用的虚拟内存背后有实际的物理内存

1. 速度

当用户只是执行简单的内存访问时，pagefault流程对用户来说虽然是不感知的，耗时可以忽略不记，但是对于一些时间敏感型进程，尤其是实时进程，可能无法容忍执行速度的下降。

这种情况下，程序员可以先把所需要使用到的内存全部锁定，为它们提前分配好实际的物理内存，这样在访问时，就可以省去pagefault流程，提升程序执行速度。

2. 安全

如果你把一些秘密存放在虚拟内存中（比如用户输入的密码），当虚拟内存被swap到磁盘后，就可能导致泄露。且可能在虚拟内存和物理内存被清除后很长一段时间依然存在。

副作用

当你每多lock一个页帧，那么可供其他虚拟内存使用的页帧就少了一个，意味者系统里可能发生更多的缺页异常，更多的swap，而导致系统执行速度变慢。

一个极端的情况是，当你锁定了所有的内存，系统将因为没有实际可用的内存而无法运行

一些细节

1. 堆叠

内存锁不会堆叠，你即使锁定一段内存两次，也只需要解锁一次

2. 生命周期

内存锁定会一直持续到拥有内存的进程显示的解锁它。但是进程终止和exec会导致虚拟内存不再存在，这可能意味着它不再被锁定

3. 继承

内存所不会被子进程继承，（但请注意，在现代Unix系统中，在fork之后，父级和子级的虚拟地址空间由相同的实页帧支持，因此子级享有父级的锁）

4. 权限

由于它能够影响其他进程，因此只有超级用户可以锁定，但所有进程都可以解锁自己的内存

5. 写入时复制的行为

这里有一个非常有趣的行为，但我还没有研究透，允许我先挖个坑

libc接口

mlock

将从addr开始长度len的内存锁定

int mlock (const void *addr, size t len)

munlock

将从addr开始长度len的内存解锁

int munlock (const void *addr, size t len)

mlockall

全部锁定

int mlockall (int flags)

标志位说明：

MCL_CURRENT代表只锁定当前已经分配的内存

MCL_FUTURE将来分配的内存也会被立刻锁定，注意单独设置这个标志位不会锁定当前已经被分配的内存

注意 MCL_FUTURE不会影响未来的进程地址空间，例如exec后，该标志位将被擦除

munlockall

没啥好说的了，一次解锁所有内存（自己进程的）

int munlockall (void)