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《linux 0.12内核完全剖析》--内存管理分析

发表于 更新于 分类于 ， Valine：

笔记重点:
在琢磨linux源代码的过程，一直有一些疑惑,比如我明明只有4G的内存，计算机却可以运行很多进程，并且为每个进程都分配4G的内存，显然内存是不够用的;还有就是操作系统是怎么知道哪些内存可用，哪些内存不可用，以及怎样有效的分配他们,在从早期操作系统的平坦式管理，到粗糙的段式管理到段页式管理，可谓对内存的管理是不断的抽象，以至于页面管理对现代操作系统的重要性，不言而喻。

  • 内存的大小以及可用段是通过BIOS传给操作系统初始化的
  • 内存的段页式管理需要硬件的支持!!!
  • 最初分配给进程的内存大概只有一页，其他的内存按需分配,通过缺页中断申请(进程虚拟页面和物理页面并不是一一对应)

1. 管理的内存从哪里来？(初始化)

744 图13.5

memory.c第443行

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void mem_init(long start_mem, long end_mem)
{
	int i;

	HIGH_MEMORY = end_mem;
	for (i=0 ; i<PAGING_PAGES ; i++)
		mem_map[i] = USED;//内核使用的那些页初始化被使用了
  	//算出开始页的索引号
	i = MAP_NR(start_mem);
	end_mem -= start_mem;
	end_mem >>= 12;//除以4096(4K)一页的大小
	while (end_mem-->0)
		mem_map[i++]=0;
}

2. 进程的页目录项和页表项的复制

742 图13-2

memory.c第118行，这段代码是相当有意思的，在创建进程时调用，分配一页内存存放页表项，并复制源进程的页表信息

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int copy_page_tables(unsigned long from,unsigned long to,long size)
{
	unsigned long * from_page_table;
	unsigned long * to_page_table;
	unsigned long this_page;
	unsigned long * from_dir, * to_dir;
	unsigned long new_page;
	unsigned long nr;

  	//没有对齐就是异常了
	if ((from&0x3fffff) || (to&0x3fffff))
		panic("copy_page_tables called with wrong alignment");
  	//页目录表的偏移位置 (from >> 22) << 2
	from_dir = (unsigned long *) ((from>>20) & 0xffc); /* _pg_dir = 0 */
	to_dir = (unsigned long *) ((to>>20) & 0xffc);
  	//2^22 = 4M 一张页表管理4M的内容，右移22计算出需要几张页表
	size = ((unsigned) (size+0x3fffff)) >> 22;
	for( ; size-->0 ; from_dir++,to_dir++) {
		if (1 & *to_dir)
			panic("copy_page_tables: already exist");
		if (!(1 & *from_dir))
			continue;
		from_page_table = (unsigned long *) (0xfffff000 & *from_dir);
      	//申请一页内存存放页表内容
		if (!(to_page_table = (unsigned long *) get_free_page()))
			return -1;	/* Out of memory, see freeing */
      	// 7 代表 U/S W/R P第0，1，2位置1
		*to_dir = ((unsigned long) to_page_table) | 7;
      	//页表每项4字节，一共1024项
		nr = (from==0)?0xA0:1024;
		for ( ; nr-- > 0 ; from_page_table++,to_page_table++) {
			this_page = *from_page_table;
			if (!this_page)
				continue;
			if (!(1 & this_page)) {
				if (!(new_page = get_free_page()))
					return -1;
				read_swap_page(this_page>>1, (char *) new_page);
				*to_page_table = this_page;
				*from_page_table = new_page | (PAGE_DIRTY | 7);
				continue;
			}
			this_page &= ~2;//设置页表只读，写时复制的关键
			*to_page_table = this_page;//复制这张页表项内容，只读
			if (this_page > LOW_MEM) {
				*from_page_table = this_page;//源页表也只读！！等待写时复制
				this_page -= LOW_MEM;
				this_page >>= 12;
				mem_map[this_page]++;
			}
		}
	}
	invalidate();
	return 0;
}

3. 物理内存时如何分配给线性地址的

743 图13-4

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static unsigned long put_page(unsigned long page,unsigned long address)
{
	unsigned long tmp, *page_table;
  
  	/*
  	page是索引值
  	address是物理地址
  	*/

/* NOTE !!! This uses the fact that _pg_dir=0 */

	if (page < LOW_MEM || page >= HIGH_MEMORY)
		printk("Trying to put page %p at %p\n",page,address);
	if (mem_map[(page-LOW_MEM)>>12] != 1)
		printk("mem_map disagrees with %p at %p\n",page,address);
  	//从物理地址得到页表项
	page_table = (unsigned long *) ((address>>20) & 0xffc);
  	//*page_table 是页表项的内容，&1是表示页表项已经存在，没有就重新分配一页
	if ((*page_table)&1)
		page_table = (unsigned long *) (0xfffff000 & *page_table);
	else {
		if (!(tmp=get_free_page()))
			return 0;
		*page_table = tmp | 7;
		page_table = (unsigned long *) tmp;
	}
  	//填写页表项内容
	page_table[(address>>12) & 0x3ff] = page | 7;
/* no need for invalidate */
	return page;
}

4. 页面出错异常处理机制(写时复制和需求加载的01基础)

4.1 引起异常的条件

  • 地址变换过程中页目录项或页表项存在位P=0

  • 没有足够的特权访问指定的页面

4.2 异常的结果

cr2寄存器存放出错的线形地址
栈中出错码信息

  • 位0 p=0 页面不存在 p=1 违反页面保护权限
  • 位1 w/r =0 读引起 w/r =1 写引起
  • 位2 u/s =0 执行超级用户代码
4.3 异常处理过程

trap.c 第203行

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void trap_init(void)
{
	......
	set_trap_gate(14,&page_fault);//设置页面异常处理函数
	......
}

page.s详细分析

  • 写时复制 ： 页面不共享时，设置可写则返回，共享时分配一页并复制
  • 缺页处理： 是否在交换设备中，存在则交换回来，不存在则分配一页
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.globl _page_fault

_page_fault:
	xchgl %eax,(%esp)
	pushl %ecx
	pushl %edx
	push %ds
	push %es
	push %fs
	movl $0x10,%edx
	mov %dx,%ds
	mov %dx,%es
	mov %dx,%fs
	movl %cr2,%edx
	pushl %edx
	pushl %eax
	testl $1,%eax		#测试页存在位
	jne 1f
	call _do_no_page	#缺页处理函数 do_no_page
	jmp 2f
1:	call _do_wp_page	#写保护处理函数
2:	addl $8,%esp
	pop %fs
	pop %es
	pop %ds
	popl %edx
	popl %ecx
	popl %eax
	iret

5. 到底怎么分配物理内存

get_free_page()函数的分析

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unsigned long get_free_page(void)
{
register unsigned long __res asm("ax");

repeat:
	__asm__("std ; repne ; scasb\n\t"
		"jne 1f\n\t"
		"movb $1,1(%%edi)\n\t"
		"sall $12,%%ecx\n\t"
		"addl %2,%%ecx\n\t"
		"movl %%ecx,%%edx\n\t"
		"movl $1024,%%ecx\n\t"
		"leal 4092(%%edx),%%edi\n\t"
		"rep ; stosl\n\t"
		"movl %%edx,%%eax\n"
		"1:"
		:"=a" (__res)
		:"0" (0),"i" (LOW_MEM),"c" (PAGING_PAGES),
		"D" (mem_map+PAGING_PAGES-1)
		:"di","cx","dx");
	if (__res >= HIGH_MEMORY)
		goto repeat;
	if (!__res && swap_out())
		goto repeat;
	return __res;
}