首页 » 电脑基础 » 电脑教程

Linux内存管理和寻址详细介绍

电脑教程 2021-12-07

1.概念

内存管理模式

段式:内存分为了多段,每段都是连续的内存,不同的段对应不用的用途。每个段的大小都不是统一的,会导致内存碎片和内存交换效率低的问题。

页式:内存划分为多个内存页进行管理,如在 Linux 系统中,每一页的大小为 4KB。由于分了页后,就不会产生细小的内存碎片。但是仍然也存在内存碎片问题。

段页式:段式和页式结合。

地址类型划分

逻辑地址:程序所使用的地址,通常是没被段式内存管理映射的地址,称为逻辑地址

线性地址:通过段式内存管理映射的地址,称为线性地址,也叫虚拟地址

虚拟地址:通过段式内存管理映射的地址,称为线性地址,也叫虚拟地址

物理地址:物理内存地址

说明:

Inetel处理器中,逻辑地址是「段式内存管理」转换前的地址,线性地址则是「页式内存管理」转换前的地址。

段式内存管理映射而成的地址不再是“物理地址”了,Intel 就称之为“线性地址”(也称虚拟地址)。于是,段式内存管理先将逻辑地址映射成线性地址,然后再由页式内存管理将线性地址映射成物理地址。

linux内存主要是页式内存管理,同时也有涉及段式机制。当前Linux内核所采取的办法是使段式映射的过程实际上不起什么作用。

Intel最早处理器80286是纯段式管理,80386段式和页式均存在。

Linux内存管理和寻址详细介绍

2.页式管理

x86架构32位cpu

二级页表选址方式,一个内存页4KB大小,一级页目录表1024项,二级页表1024项,一个页表项4字节。一级页目录表项全部分配,二级页表在需要的时候创建。(局部性原理)。

虚拟地址32位

10+10+12,分别索引1级页表号,2级页表项,记录物理基地址的偏移地址。使用PAE机制之后32bit系统支持最大的内存是64GB(地址是32+4=36位)。

线性地址寻址物理地址步骤

先根据10位寻址1级页表号,1级页表号中记录了2级页表的地址

找到2级页表地址后,接着根据虚拟地址的另10位寻找2级页表中表项的位置

找到2级页表的表项之后,表项中记录了该虚拟地址映射物理地址的起始地址,表项的大小是4字节32bit

根据找到的物理地址的起始地址结合虚拟地址的后12位作为偏移计算出最终的物理地址

Linux内存管理和寻址详细介绍

x86架构 64位cpu

存在更多级页表

全局页目录项 PGD(Page Global Directory上层页目录项 PUD(Page Upper Directory)中间页目录项 PMD(Page Middle Directory)页表项 PTE(Page Table Entry)

线性地址寻址物理地址步骤

线性地址为48bit,最大物理地址为52bit,实际物理内存地址总线宽度是40bit,也就是支持1TB物理内存x86_64有四级页表,原理同x86系统,也是一层层的寻址CR3寄存器保存最高层一级表的起始物理地址,因此寻址首先就是要获取到CR3寄存器中的值每个PTE表项的大小是8个字节也就是64bit

Linux内存管理和寻址详细介绍

TLB

在 CPU 芯片中,加入了一个专门存放程序最常访问的页表项的 Cache,这个 Cache 就是 TL(Translation Lookaside Buffer) 。通常称为页表缓存、转址旁路缓存、快表等。那么在CPU的内存管理单元MMU寻址时,会先查 TLB,如果没找到,才会继续查常规的页表。

专有名词

PDT:页目录表,多级页表一级页表,32bit系统有1024个页目录
PTT:页表项表,多级页表二级页表,32bit系统有每个页目录下有1024个页表项,每个表项4个字节
PDE:页表的基址,是PDT中一项
PTE:是页的基址,是PTT中一项
GDT:全局描述符表,逻辑地址转为线性地址用到
LDT:局部描述符表,逻辑地址转为线性地址用到

Linux内存管理和寻址详细介绍

3.地址划分

32系统
内核1G: 0xC0 00 00 01 - 0xFF FF FF FF
用户3G: 0x00 00 00 00 - 0xC0 00 00 00
0xC0 00 00 00 == 3G

64位系统:
内核128T: 0xFF FF 80 00 00 00 00 00 - 0xFF FF FF FF FF FF FF FF (高位)
0xFF FF 7F FF FF FF FF FF - 0xFF FF FF FF FF FF FF FF(自己计算)

用户128T: 0x00 00 00 00 00 00 00 00 - 0x00 00 7F FF FF FF FF FF (低位)
0x00 00 80 00 00 00 00 00 - 0x00 00 80 00 00 00 00 00 (自己计算)

0x00 00 7F FF FF FF FF FF == 127T
疑问:64位系统128T是分界线是127T?

访问权限
进程在用户态时,只能访问用户空间内存
只有进入内核态后,才可以访问内核空间的内存

PAE机制

CPU位宽指的是一个时钟周期内CPU能处理的二进制位数,普通场景中32位系统CPU的地址总线可以是32位,但是引入了PAE机制之后,16位CPU的地址总线位宽可以是20位(物理内存1M),32位CPU的地址总线可以是36位(物理内存64GB),64位CPU的地址总线位宽可以是40位(物理内存1TB)。因此我们不能简单的说32位系统只支持最大4GB的内存条。

4. 调试

程序寄存器

cs:是代码段寄存器
ds:是数据段寄存器
ss:是堆栈段寄存器
es:是扩展段寄存器
fs:是标志段寄存器 32位之后才有
gs:是全局段寄存器 32位之后才有

示例一个内核宕机的日志:

RIP: 0010:[] [] xxxxxxxxxx+0x69/0x70
RSP: 0018:ffff886241737d98 EFLAGS: 00010246
RAX: ffff880034814d40 RBX: ffff881fc6248740 RCX: 0000000000000200
RDX: 0000000000000000 RSI: 0000000000000286 RDI: ffff881fc6381858
RBP: ffff886241737d98 R08: ffff886241734000 R09: 0000000000000000
R10: ffff880034814d40 R11: 0000000000000200 R12: ffff881fc62487a0
R13: 0000000000000000 R14: 00007fff86cb6260 R15: ffff881fc6381858
FS: 00007f78b59b8720(0000) GS:ffff885ffe3c0000(0000) knlGS:0000000000000000
CS: 0010 DS: 0000 ES: 0000 CR0: 0000000080050033
CR2: 00007f690a057180 CR3: 0000006208985000 CR4: 00000000003627e0
DR0: 0000000000000000 DR1: 0000000000000000 DR2: 0000000000000000
DR3: 0000000000000000 DR6: 00000000fffe0ff0 DR7: 0000000000000400

查看程序寄存器

使用GDB随意调试一个linux 32位上的ELF32的可执行文件,使用info r命令查看一下寄存器情况:

Linux内存管理和寻址详细介绍

段寄存器有0x23和0x2b两种情况:

十六进制:0023
二进制:0000000000100 0 11 - 段序号:4 - 表类型:GDT - 特权级:Ring3
十六进制:002B
二进制:0000000000101 0 11 - 段序号:5 - 表类型:GDT - 特权级:Ring3

段序号:从第四位开始 表类型:第三位 特权级:第1、2位

Linux下没有找到可以直接用什么命令或者工具查看GDT的方式,于是去源代码中寻找答案:

Linux内存管理和寻址详细介绍

看到了吗,这两项所描述的段和Windows一样,基地址为0,大小为4GB。

Windows和Linux都选择了通过这种方式架空了CPU的分段内存管理机制。

但需要说明一下的时,虽然两个操作系统都是这种情况,但并不意味着段机制彻底没用到,CPU的任务管理TSS还是需要用到,这一点大家知道就行了,在linux64位系统下分段机制不被待见,但是操作系统仍然会保持先分段再分页的寻址方式。

结语

到此这篇关于Linux内存管理和寻址详细介绍的文章就介绍到这了,更多相关Linux内存管理和寻址内容请搜索www.580doc.com以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持www.580doc.com!


上一篇:linux环境下安装mysql8.0过程介绍下一篇:Linux之操作文件的系统调用
程序园_程序员的世界 Copyright © 2020- www.580doc.com. Some Rights Reserved.