Linux操作系统之快速内存操作技术

 

我们总希望能在内核空间和用户空间自由交换数据，传统的方式是采用内核提供的vma机制，通过copy_to/from_user之类的方法来实现。这对于高速数据块传送是不可取的。 其实kswapd有时交换数据至外存时，性能相当差，一般而言，你的PC主存并不见得就用尽了，而且很多应用并是你所关心的，但却实实在在消耗你的计算资源，此时，你可能会想到采用实地址操作你的应用(尽管有MMU的支持)，在uClinux中，当没有MMU时，工作起来是挺爽的。

最方便的，最高效的，无非是实地址下，操作物理内存，相当于DMA。尽管Linux 2.6内核在VMA方面的性能要优于2.4，但swap机制有一定的缺限。在VxWorks中，对内存的管理是很细致且精确的。如果你在Linux下申请大块内存操作时，当触发kswap快速交换回主存时，你会发现你的计算机 哪一段时间，几乎要休息几分钟，尽管你看起来free输出的頁面已经很多了，但此时的外存几乎一直忙着，且CPU负荷相当重，这时也可能你根本就没做任何操作。

有没有办法既在VMA机制下工作，又能直接处理主存数据呢？

回答是肯定的。内核启动后，会将主存映射为/dev/mem，当我们在VMA中申请一块逻辑区间后，将转换的物理地址传与用户空间，用户空间就可以线性操作这段区间了，直接采用mmap就可以在物理主存中读写。

还有更快的方式吗？不采用mmap行吗？

当然有，当VMA将物理区块地址及大小传与用户空间后，用户完全可以采用地址读写模式，这几近于机器指令操作了（可以独立于OS之外）。 此种实现方式很简单，首先打开/dev/mem，直接定位至VMA传上来的地址就可以操作了，无需mmap。通知用户空间，可以采用procfs/sysfs等。

强烈建议：在边界控制上，一定要精确细致，不推荐初学者采用，一旦越界，可能引起“Kernel Panic”。 更有可能就DOWN了。 对于此实现方式，建议参考mapper(LDD3)程序。 同时，也可以用mapper检查读写是否正确。

新的IA32中，PAGE_SIZE = 4K MAX_ORDER = 11 ，gfp最大申请4M线性逻辑空间，减去PAGE_OFFSET即可得到物理地址。 如果采用了HIMEM和NUMA，请参见Kernel关于内存映射的算法。 当主存达到1G或超过时，请减小用户空间大小。

随着硬件技术的发展，VMA在主存相当大时，可以考虑进行修正，完全可以集中采用物理映射方式。没必要交换了。否则，反而影响性能。 32位平台，如果主存2G，采用SWAP会使得性能有较大下降。 而在大容量数据传输时，也不可能采用SWAP方式的，不允许换出。 建议Linus在VMA中加入进程分类，不平类别的应用，分配不同的内存块。 小数据PAGE_SIZE = 4K/大数据4M/128M。 地址模式全转换为64位，兼容32位，当应用于Embedded系统时，直接使用32位模式。

如将做成多个微系统，不同微核，运行不同应用(不同的进程管理，内存管理，文件管理)，只是接口可以统一，不同标志而已。