linux 内核学习 (1)内存管理

1 分页机制

       早期计算机直接使用物理地址进行内存的使用和管理，但是硬件资源有限，而且不同的程序需要使用不同的物理地址，这样给程序的管理和运行造成了很大的难度，而且极易造成一个程序覆盖其他程序的问题，使正常运行的程序出现错误。

       针对以上问题提出了使用虚拟地址与物理地址映射的管理方式，这样每个程序都可以使用相同的地址，但是由于每个进程使用不同的叶表，所以使用不同的物理页，这样就可以解决以上的问题。

      下图为Linux下分页机制的实现原理，虚拟地址经过页面目录和页表的查询，找到页物理地址，最后将偏移量合成为物理地址。

 2 分段机制

     其实分页机制已经能够满足虚拟内存管理和保护模式的要求，现在的一些构架的处理器完全不使用分段机制。段机制是x86遗留的历史问题。

     下图为分段机制原理图，其实现核心是一个全局的描述符表GDT，这个表作用很大，比如每个进程都有一个TSS段，但是当前进程如果切换到另一个进程，一定要使用到另一个进程的TSS段，由于使用不同的叶表，肯定无法相互访问各自的地址空间，这个时候全局描述符表解决了这一问题，他就像是一个共享的地址空间，这样就能很好的相互访问了。

 
 3  两个机制的结合

     有了新方法，但是也不能摒弃旧的，需要新旧结合，所以需要将两个机制相互结合。

     下图为完整的地址转换过程图：

 
 

 4 地址空间分配

     虚拟地址空间由地址总线位数决定，现在的计算机大多是32位的。

    32位也就是4G大小，linux中将0-3G的线性地址由用户态程序使用，3G-4G的线性地址留给内核态使用。

    虽然内核态只是用1G空间，但是它管理着整个物理地址空间，Linux内核将物理地址分成3个区，ZONE_DMA（0-16M）,ZONE-NORMAL（16-896M）,ZONE_HIGHTMEM（896M - ~）。

     ZONE_DMA区用于DMA设备的映射，DMA设备可以不通过CPU将数据发送的内存，这样CPU可以处理其他事务，从而提高系统的效率。

     ZONE_NORMAL区为内核使用的区域，这个区主要被内核所使用，当然在用户态出现缺页时，也会在此区中分配物理页。

     ZONE_HIGHTMEN区，其实是一个让我开始很困惑的去，书上说他是高端内存，内核使用不到它，那岂不是1G以上的内存条也没用，因为内核都够不到，怎么将它分配给进程使用，后来才明白什么意思。内核使用不到ZONE_HIGHTMEN区意思是其物理地址不能被内核所使用，但是能够被内核所操控，控制它映射给用户态程序。用户态程序在缺页时首先在ZONE_HTIGHTMEN区寻找页，如果找不到就需要到ZONE_NORMAL去寻找了，而内核在缺页时只能在ZONE_NORMAL里寻找。