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Linux內(nèi)存管理和尋址詳細(xì)介紹

 更新時(shí)間：2021年12月07日 11:41:36   作者：人生一世，草木一秋。  
大家好，本篇文章主要講的是Linux內(nèi)存管理和尋址詳細(xì)介紹，感興趣的同學(xué)趕快來(lái)看一看吧，對(duì)你有幫助的話(huà)記得收藏一下，方便下次瀏覽

1.概念

內(nèi)存管理模式

段式：內(nèi)存分為了多段，每段都是連續(xù)的內(nèi)存，不同的段對(duì)應(yīng)不用的用途。每個(gè)段的大小都不是統(tǒng)一的，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存碎片和內(nèi)存交換效率低的問(wèn)題。

頁(yè)式：內(nèi)存劃分為多個(gè)內(nèi)存頁(yè)進(jìn)行管理，如在 Linux 系統(tǒng)中，每一頁(yè)的大小為 4KB。由于分了頁(yè)后，就不會(huì)產(chǎn)生細(xì)小的內(nèi)存碎片。但是仍然也存在內(nèi)存碎片問(wèn)題。

段頁(yè)式：段式和頁(yè)式結(jié)合。

地址類(lèi)型劃分

邏輯地址：程序所使用的地址，通常是沒(méi)被段式內(nèi)存管理映射的地址，稱(chēng)為邏輯地址

線(xiàn)性地址：通過(guò)段式內(nèi)存管理映射的地址，稱(chēng)為線(xiàn)性地址，也叫虛擬地址

虛擬地址：通過(guò)段式內(nèi)存管理映射的地址，稱(chēng)為線(xiàn)性地址，也叫虛擬地址

物理地址：物理內(nèi)存地址

說(shuō)明：

Inetel處理器中，邏輯地址是「段式內(nèi)存管理」轉(zhuǎn)換前的地址，線(xiàn)性地址則是「頁(yè)式內(nèi)存管理」轉(zhuǎn)換前的地址。

段式內(nèi)存管理映射而成的地址不再是“物理地址”了，Intel 就稱(chēng)之為“線(xiàn)性地址”（也稱(chēng)虛擬地址）。于是，段式內(nèi)存管理先將邏輯地址映射成線(xiàn)性地址，然后再由頁(yè)式內(nèi)存管理將線(xiàn)性地址映射成物理地址。

linux內(nèi)存主要是頁(yè)式內(nèi)存管理，同時(shí)也有涉及段式機(jī)制。當(dāng)前Linux內(nèi)核所采取的辦法是使段式映射的過(guò)程實(shí)際上不起什么作用。

Intel最早處理器80286是純段式管理，80386段式和頁(yè)式均存在。

2.頁(yè)式管理

x86架構(gòu)32位cpu

? 二級(jí)頁(yè)表選址方式，一個(gè)內(nèi)存頁(yè)4KB大小，一級(jí)頁(yè)目錄表1024項(xiàng)，二級(jí)頁(yè)表1024項(xiàng)，一個(gè)頁(yè)表項(xiàng)4字節(jié)。一級(jí)頁(yè)目錄表項(xiàng)全部分配，二級(jí)頁(yè)表在需要的時(shí)候創(chuàng)建。（局部性原理）。

虛擬地址32位

10+10+12，分別索引1級(jí)頁(yè)表號(hào)，2級(jí)頁(yè)表項(xiàng)，記錄物理基地址的偏移地址。使用PAE機(jī)制之后32bit系統(tǒng)支持最大的內(nèi)存是64GB（地址是32+4=36位）。

線(xiàn)性地址尋址物理地址步驟

先根據(jù)10位尋址1級(jí)頁(yè)表號(hào)，1級(jí)頁(yè)表號(hào)中記錄了2級(jí)頁(yè)表的地址

找到2級(jí)頁(yè)表地址后，接著根據(jù)虛擬地址的另10位尋找2級(jí)頁(yè)表中表項(xiàng)的位置

找到2級(jí)頁(yè)表的表項(xiàng)之后，表項(xiàng)中記錄了該虛擬地址映射物理地址的起始地址，表項(xiàng)的大小是4字節(jié)32bit

根據(jù)找到的物理地址的起始地址結(jié)合虛擬地址的后12位作為偏移計(jì)算出最終的物理地址

x86架構(gòu) 64位cpu

存在更多級(jí)頁(yè)表

全局頁(yè)目錄項(xiàng) PGD（Page Global Directory上層頁(yè)目錄項(xiàng) PUD（Page Upper Directory）中間頁(yè)目錄項(xiàng) PMD（Page Middle Directory）頁(yè)表項(xiàng) PTE（Page Table Entry）

線(xiàn)性地址尋址物理地址步驟

線(xiàn)性地址為48bit，最大物理地址為52bit，實(shí)際物理內(nèi)存地址總線(xiàn)寬度是40bit，也就是支持1TB物理內(nèi)存x86_64有四級(jí)頁(yè)表，原理同x86系統(tǒng)，也是一層層的尋址CR3寄存器保存最高層一級(jí)表的起始物理地址，因此尋址首先就是要獲取到CR3寄存器中的值每個(gè)PTE表項(xiàng)的大小是8個(gè)字節(jié)也就是64bit

TLB

在 CPU 芯片中，加入了一個(gè)專(zhuān)門(mén)存放程序最常訪(fǎng)問(wèn)的頁(yè)表項(xiàng)的 Cache，這個(gè) Cache 就是 TL（Translation Lookaside Buffer） 。通常稱(chēng)為頁(yè)表緩存、轉(zhuǎn)址旁路緩存、快表等。那么在CPU的內(nèi)存管理單元MMU尋址時(shí)，會(huì)先查 TLB，如果沒(méi)找到，才會(huì)繼續(xù)查常規(guī)的頁(yè)表。

專(zhuān)有名詞

PDT：頁(yè)目錄表，多級(jí)頁(yè)表一級(jí)頁(yè)表，32bit系統(tǒng)有1024個(gè)頁(yè)目錄
PTT：頁(yè)表項(xiàng)表，多級(jí)頁(yè)表二級(jí)頁(yè)表，32bit系統(tǒng)有每個(gè)頁(yè)目錄下有1024個(gè)頁(yè)表項(xiàng)，每個(gè)表項(xiàng)4個(gè)字節(jié)
PDE：頁(yè)表的基址，是PDT中一項(xiàng)
PTE：是頁(yè)的基址，是PTT中一項(xiàng)
GDT：全局描述符表，邏輯地址轉(zhuǎn)為線(xiàn)性地址用到
LDT：局部描述符表，邏輯地址轉(zhuǎn)為線(xiàn)性地址用到

3.地址劃分

32系統(tǒng)
內(nèi)核1G: 0xC0 00 00 01 - 0xFF FF FF FF
用戶(hù)3G: 0x00 00 00 00 - 0xC0 00 00 00
0xC0 00 00 00 == 3G

64位系統(tǒng)：
內(nèi)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（自己計(jì)算）

用戶(hù)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 （自己計(jì)算）

? 0x00 00 7F FF FF FF FF FF == 127T
? 疑問(wèn)：64位系統(tǒng)128T是分界線(xiàn)是127T？

訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限

進(jìn)程在用戶(hù)態(tài)時(shí)，只能訪(fǎng)問(wèn)用戶(hù)空間內(nèi)存
只有進(jìn)入內(nèi)核態(tài)后，才可以訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)核空間的內(nèi)存

PAE機(jī)制

? CPU位寬指的是一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)CPU能處理的二進(jìn)制位數(shù)，普通場(chǎng)景中32位系統(tǒng)CPU的地址總線(xiàn)可以是32位，但是引入了PAE機(jī)制之后，16位CPU的地址總線(xiàn)位寬可以是20位（物理內(nèi)存1M），32位CPU的地址總線(xiàn)可以是36位（物理內(nèi)存64GB），64位CPU的地址總線(xiàn)位寬可以是40位（物理內(nèi)存1TB）。因此我們不能簡(jiǎn)單的說(shuō)32位系統(tǒng)只支持最大4GB的內(nèi)存條。

4. 調(diào)試

程序寄存器

cs：是代碼段寄存器
ds：是數(shù)據(jù)段寄存器
ss：是堆棧段寄存器
es：是擴(kuò)展段寄存器
fs：是標(biāo)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

示例一個(gè)內(nèi)核宕機(jī)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隨意調(diào)試一個(gè)linux 32位上的ELF32的可執(zhí)行文件，使用info r命令查看一下寄存器情況：

段寄存器有0x23和0x2b兩種情況：

十六進(jìn)制：0023
二進(jìn)制：0000000000100 0 11 - 段序號(hào)：4 - 表類(lèi)型：GDT - 特權(quán)級(jí)：Ring3
十六進(jìn)制：002B
二進(jìn)制：0000000000101 0 11 - 段序號(hào)：5 - 表類(lèi)型：GDT - 特權(quán)級(jí)：Ring3

段序號(hào)：從第四位開(kāi)始 表類(lèi)型：第三位 特權(quán)級(jí)：第1、2位

Linux下沒(méi)有找到可以直接用什么命令或者工具查看GDT的方式，于是去源代碼中尋找答案：

看到了嗎，這兩項(xiàng)所描述的段和Windows一樣，基地址為0，大小為4GB。

Windows和Linux都選擇了通過(guò)這種方式架空了CPU的分段內(nèi)存管理機(jī)制。

但需要說(shuō)明一下的時(shí)，雖然兩個(gè)操作系統(tǒng)都是這種情況，但并不意味著段機(jī)制徹底沒(méi)用到，CPU的任務(wù)管理TSS還是需要用到，這一點(diǎn)大家知道就行了，在linux64位系統(tǒng)下分段機(jī)制不被待見(jiàn)，但是操作系統(tǒng)仍然會(huì)保持先分段再分頁(yè)的尋址方式。

結(jié)語(yǔ)

到此這篇關(guān)于Linux內(nèi)存管理和尋址詳細(xì)介紹的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Linux內(nèi)存管理和尋址內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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