探索Linux 操作系统内存模型和管理 （1）

 理解 Linux 设计的第一步

在这篇 Linux? 内存模型指南中，我们将学习如何构建和管理内存方面的基础知识。本指南介绍了内存控制单元、分页模型方面的内容，并详细介绍了物理内存区域方面的知识。

理解 Linux 使用的内存模型是从更大程度上掌握 Linux 设计和实现的第一步，因此本文将概述 Linux 内存模型和管理。

Linux 使用的是单一整体式结构 (Monolithic)，其中定义了一组原语或系统调用以实现操作系统的服务，例如在几个模块中以超级模式运行的进程管理、并发控制和内存管理服务。尽管出于兼容性考虑，Linux 依然将段控制单元模型 (segment control unit model) 保持一种符号表示，但实际上已经很少使用这种模型了。

与内存管理有关的主要问题有：

●虚拟内存的管理，这是介于应用程序请求与物理内存之间的一个逻辑层。

●物理内存的管理。

●内核虚拟内存的管理/内核内存分配器，这是一个用来满足对内存的请求的组件。这种对内存的请求可能来自于内核，也可能来自于用户。

●虚拟地址空间的管理。

●交换和缓存。

本文探讨了以下问题，可以帮助您从操作系统中内存管理的角度来理解 Linux 的内幕：

●段控制单元模型，通常专用于 Linux

●2分页模型，通常专用于 Linux

●物理内存方面的知识

虽然本文并没有详细介绍 Linux 内核管理内存的方法，但是介绍了有关整个内存模型的知识以及系统的寻址方式，这些介绍可为您进一步的学习提供一个框架。本文重点介绍的是 x86 架构，但本文中的知识对于其他硬件实现同样适用。

x86 内存架构

在 x86 架构中，内存被划分成 3 种类型的地址：

●逻辑地址 (logical address) 是存储位置的地址，它可能直接对应于一个物理位置，也可能不直接对应于一个物理位置。逻辑地址通常在请求控制器中的信息时使用。

●线性地址 (linear address) （或称为 平面地址空间）是从 0 开始进行寻址的内存。之后的每个字节都可顺序使用下一数字来引用（0、1、2、3 等），直到内存末尾为止。这就是大部分非 Intel CPU 的寻址方式。Intel? 架构使用了分段的地址空间，其中内存被划分成 64KB 的段，有一个段寄存器总是指向当前正在寻址的段的基址。这种架构中的 32 位模式被视为平面地址空间，不过它也使用了段。

●物理地址 (physical address) 是使用物理地址总线中的位表示的地址。物理地址可能与逻辑地址不同，内存管理单元可以将逻辑地址转换成物理地址。

CPU 使用两种单元将逻辑地址转换成物理地址。第一种称为分段单元 (segmented unit)，另外一种称为分页单元 (paging unit)。

图 1. 转换地址空间使用的两种单元

下面让我们来介绍一下段控制单元模型。