Linux内存管理基本概念

1. 基本概念

1.1 地址

（1）逻辑地址：指由程序产生的与段相关的偏移地址部分。在C语言指针中，读取指针变量本身值(&操作)，实际上这个值就是逻辑地址，它是相对于你当前进程数据段的地址。
（2）线性地址：段中的偏移地址（逻辑地址），加上相应段的基地址就生成了一个线性地址。
（3）物理地址： 放在寻址总线上的地址。
（4）虚拟地址：保护模式下段和段内偏移量组成的地址，而逻辑地址就是代码段内偏移量，或称进程的逻辑地址。

1.2 内存

（1） 虚拟内存：计算机系统内存管理的一种技术。它使得应用程序认为它拥有连续的可用的内存（一个连续完整的地址空间），而实际上，它通常是被分隔成多个物理内存碎片，还有部分暂时存储在外部磁盘存储器上，在需要时进行数据交换。与没有使用虚拟内存技术的系统相比，使用这种技术的系统使得大型程序的编写变得更容易，对真正的物理内存（例如RAM）的使用也更有效率。
（2） 物理内存：实际的内存。物理地址被分成离散的单元，成为页（page）。目前大多数系统的页面大小都为4k。

1.3 地址转换

Linux采用段页式管理机制，有两个部件用于地址转换：分段部件和分页部件。
（1） 分段部件：将逻辑地址转换为线性地址。分段提供了隔绝各个代码、数据和堆栈区域的机制，因此多个程序（任务）可以运行在同一个处理器上而不会互相干扰。
（2） 分页部件：将线性地址转换为物理地址（页表和页目录），若没有启用分页机制，那么线性地址直接就是物理地址。

2. 内存分配

Malloc，kmalloc 和vmalloc区别？
（1） kmalloc和vmalloc是分配的是内核的内存,malloc分配的是用户的内存。
（2） kmalloc保证分配的内存在物理上是连续的,vmalloc保证的是在虚拟地址空间上的连续。
（3） kmalloc申请的内存比较小，一般小于128 K。它是基于slab（内存池）的，以加快小内存申请效率。

3. 常见问题

（1） 调用malloc函数后，OS会马上分配实际的内存空间吗？
答：不会，只会返回一个虚拟地址，待用户要使用内存时，OS会发出一个缺页中断，此时，内存管理模块才会为程序分配真正的内存。

（2） 段式管理和页式管理的优缺点？
在段式存储管理中，将程序的地址空间划分为若干个段(segment)，这样每个进程有一个二维的地址空间，相互独立，互不干扰。程序通过分段划分为多个模块，如代码段、数据段、共享段。这样做的优点是：可以分别编写和编译源程序的一个文件，并且可以针对不同类型的段采取不同的保护，也可以按段为单位来进行共享。段式存储管理的优点是：没有内碎片，外碎片可以通过内存紧缩来消除；便于实现内存共享。
在页式存储管理中，将程序的逻辑地址空间划分为固定大小的页(page)，而物理内存划分为同样大小的页框(pageframe)。程序加载时，可将任意一页放人内存中任意一个页框，这些页框不必连续，从而实现了离散分配。这种管理方式的优点是，没有外碎片，且一个程序不必连续存放。这样就便于改变程序占用空间的大小。
页式和段式系统有许多相似之处。比如，两者都采用离散分配方式，且都通过地址映射机构来实现地址变换。但概念上两者也有很多区别，主要表现在：

• 页是信息的物理单位，分页是为了实现离散分配方式，以减少内存的外零头，提高内存的利用率。或者说，分页仅仅是由于系统管理的需要，而不是用户的需要。段是信息的逻辑单位，它含有一组其意义相对完整的信息。分段的目的是为了更好地满足用户的需要。
• 页的大小固定且由系统决定，把逻辑地址划分为页号和页内地址两部分，是由机器硬件实现的。段的长度不固定，且决定于用户所编写的程序，通常由编译系统在对源程序进行编译时根据信息的性质来划分。
• 页式系统地址空间是一维的，即单一的线性地址空间，程序员只需利用一个标识符，即可表示一个地址。分段的作业地址空间是二维的，程序员在标识一个地址时，既需给出段名，又需给出段内地址。

（3） Malloc在什么情况下调用mmap？
从操作系统角度来看，进程分配内存有两种方式，分别由两个系统调用完成：brk和mmap（不考虑共享内存）。brk是将数据段(.data)的最高地址指针_edata往高地址推，mmap是在进程的虚拟地址空间中（一般是堆和栈中间）找一块空闲的。这两种方式分配的都是虚拟内存，没有分配物理内存。在第一次访问已分配的虚拟地址空间的时候，发生缺页中断，操作系统负责分配物理内存，然后建立虚拟内存和物理内存之间的映射关系。
在标准C库中，提供了malloc/free函数分配释放内存，这两个函数底层是由brk，mmap，munmap这些系统调用实现的。
默认情况下，malloc函数分配内存，如果请求内存大于128K（可由M_MMAP_THRESHOLD选项调节），那就不是去推_edata指针了，而是利用mmap系统调用，从堆和栈的中间分配一块虚拟内存。这样子做主要是因为brk分配的内存需要等到高地址内存释放以后才能释放（例如，在B释放之前，A是不可能释放的），而mmap分配的内存可以单独释放。

在Linux系统上，程序被载入内存时，内核为用户进程地址空间建立了代码段、数据段和堆栈段，在数据段与堆栈段之间的空闲区域用于动态内存分配。

内核数据结构mm_struct中的成员变量start_code和end_code是进程代码段的起始和终止地址，start_data和 end_data是进程数据段的起始和终止地址，start_stack是进程堆栈段起始地址，start_brk是进程动态内存分配起始地址（堆的起始 地址），还有一个 brk（堆的当前最后地址），就是动态内存分配当前的终止地址。

C语言的动态内存分配基本函数是malloc()，在Linux上的基本实现是通过内核的brk系统调用。brk()是一个非常简单的系统调用，只是简单地改变mm_struct结构的成员变量brk的值。

mmap系统调用实现了更有用的动态内存分配功能，可以将一个磁盘文件的全部或部分内容映射到用户空间中，进程读写文件的操作变成了读写内存的操作。在 linux/mm/mmap.c文件的do_mmap_pgoff()函数，是mmap系统调用实现的核心。do_mmap_pgoff()的代码，只是 新建了一个vm_area_struct结构，并把file结构的参数赋值给其成员变量m_file，并没有把文件内容实际装入内存。（节选自http://blog.csdn.net/ugg/article/details/4344522）

（4） 32位系统，通常情况下，最大虚拟地址和物理地址空间为多少？
不使用PAE情况下，最大虚拟地址和物理地址空间均为4G，若果使用PAE，最大虚拟地址仍为4G，而物理地址空间可变为64G（x86， 32为变36位）。

（5） 怎样实现malloc和free？
Malloc实现可考虑采用buddy算法+slob算法，free类似。

转自：http://dongxicheng.org/os/linux-memory-management-basic/