Linux虚拟存储管理剖析.pdf

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2008୍11ᄅކ٧ഽٓ࿐ჽ࿐Б ֻ26जֻ6௹ Linuxྴ୅թԥܵ৘௩༅殷荣庆(ކ٧ഽٓ࿐ჽ࠹ෘࠏ॓࿐ა࠯ඌ༢,νߪކ٧230061)[ᅋ ေ]本文详细论述虚拟存储管理理论基础,并以Linux操作系统为例,深入剖析Linux内核虚拟存储管理的实现原理b[ܱ࡯Ս]Linux;内核;物理内存;虚拟内存[ᇏ๭ٳোݼ] [໓ངѓ്઒]A [໓ᅣщݼ]1674 2273(2008)06 0054 031 ႄ࿽MEM൞896MBᇀໃແbૄ۱ܵ৘౵Ⴎ၂۱LinuxҠቔ༢๤ᆞᇯࡶູഅြࢸa࿐ඌࢸaሱႮstructzone_struct૭ඍ,࠺੣Ќ޹ܵ৘౵֥෭aܵೈࡱൗࢸ෮ܱᇿ,ቔູ၂۱Ӯඃ֥Ҡቔ༢๤,෱֥ห৘౵ॢ༽်૫֥ሹඔaॢ༽౵თ໊๭a֩րؒਙ֥ᆘaۿିaྟିರ౴ປ೿bLinux֥ྴ୅թԥܵ৘ᄝݗ༐іaݗ༐іնཬaܵ৘౵֥ሳژԱ଀aܵ৘౵ൌ࡬ᇏіགྷਅݺ,ᆃაLinuxྴ୅թԥܵ৘׿หط֥նཬ֩ྐ༏bࡥֆ֥ൌགྷٚൔ൞ٳ҂ष,֥ྴ୅թԥ༢๤ᇏ൐Ⴈ 物理页面֥ྸ؟ෘم׻൞Ⴎ৘ંࡅิԛ֥,֌ൌགྷٚمෛሢ໾৘်૫෮උ֥ܵ৘౵൞ZONE_DMAa༢๤ᄝᆇൌൗࢸᇏ֥ᄎሇࠎЧഈၘࣜބჰট֥৘ંZONE_NORMALaZONE_HIGHMEMᇏ֥၂۱,ཌྷຂ৖bЧ໓ᄝંඍLinuxྴ୅թԥܵ৘৘ંࠎԤૄ۱໾৘်૫Ⴎ၂۱structpage૭ඍ,࠺੣်૫Ф֥౦ঃ༯,ധೆ௩༅Linuxଽނྴ୅թԥܵ৘֥ൌႄႨ֥ඔଢa်૫֥ሑ෿a်૫ู֥ߐҦ੻֩ྐ༏bགྷჰ৘bmem_map൞structpageඔቆ,ႨႿൌགྷ໾৘ֹᆶ2 Linux໾৘ଽթ૭ඍა໾৘်૫֥႘ഝbࢫׄaܵ৘౵a်૫֥ܱ༢࡮Linux֥໾৘ଽթФٳູྸ؟՛,ૄ۱՛׻Ф๭1bಪູ൞၂۱ࢫׄ,ૄ۱ࢫׄФٳӮޓ؟ӫູܵ৘౵֥ॶ,ႨႿіൕଽթᇏ֥ଖ۱ٓຶ,ૄ۱ॶ္ӫ်ູ૫ᆠ 节点ଽթᇏ֥ૄ۱ࢫׄ׻Ⴎstructpglist_data૭ඍ,࠺੣ھࢫׄ෮ᄝ֥ܵ৘౵aٳ஥ൈ֥ܵ৘౵ඨ྽ஆਙaࢫ֥ׄܵ৘౵ඔଢaࢫ֥ׄૄ۱်૫ᆠaࢫׄఏ൓໾৘ֹᆶaܵ৘౵်֥૫ሹඔaࢫ֥ׄIDaᆷཟ༯၂۱ࢫ֥ׄᆷᆌ֩ྐ༏b๭1 ࢫׄaܵ৘౵a်૫֥ܱ༢ 管理区3 Linux်іܵ৘ܵ৘౵֥ো྘ٳູ೘ᇕ,ٳљູ 线性地址DMAaZONE_NORMALaZONE_HIGHMEM,ၹLinuxҐႨਔ೘Ҫ်іࠏᇅটປӮଽթܵ৘,Վࢫׄᇏ֥ܵ৘౵ඔଢᄝ1ᇀ3ᆭࡗ,ؓႿX86ཌྟֹᆶႮಆअ်ଢ੣PGDaᇏࡗ်ଢ੣PMDa်ࠏఖ,ZONE_DMA൞ଽթ൮֥҆16MB,ZONE_і۬PTEa်ଽொ၍4҆ٳቆӮbLinuxཌྟֹᆶNORMAL൞16MBᇀ896MB,ZONE_HIGH ֥ܒӮ࡮๭2b[൬۠ರ௹]2008-07-20[ቔᆀࡥࢺ]ၺ಴౩(1951-),ଳ,ࡾ්໱ཅದ,ކ٧ഽٓ࿐ჽ࠹ෘࠏ॓࿐ა࠯ඌ༢ڬ࢝൱b54 ཌྟֹᆶಆअ်ଢ੣PGDᇏࡗ်ଢ੣PMD်і۬PTE်ଽொ၍๭2 LinuxཌྟֹᆶܒӮ 页表іֹᆶ,Ⴎ်і۬PTEҰPTE်і်֤૫ֹᆶ,ቋႮಆअ်ଢ੣PGDҰPGD်і֤PMD်іުႮ်૫ֹᆶა်ଽொ၍ྙӮ໾৘ֹᆶbཌྟֹᆶֹᆶ,Ⴎᇏࡗ်ଢ੣PMDҰPMD်і֤PTE်ሇߐູ໾৘ֹᆶ֥ݖӱ࡮๭3b๭3 ཌྟֹᆶሇߐູ໾৘ֹᆶ֥ݖӱ 虚拟地址与物理地址之间的映射4 Linuxྴ୅ଽթ૭ඍLinuxϜՖ0ष൓֥໾৘ֹᆶ႘ഝӮ3GBषLinuxࡼ0ष൓֥໾৘ֹᆶ႘ഝູ3GBष൓൓֥ྴ୅ֹᆶ,ၹՎॖၛࡥֆֹࡼ಩ၩ၂۱ྴ୅ֹ֥ྴ୅ֹᆶ,vmalloc_startіൕ3GBࡆഈ໾৘ଽթᆶࡨಀ3GBطࠆ֤ః໾৘ֹᆶ,ّᆭ໾৘ֹᆶࡆഈಸਈᄜࡆഈ်૫ॢ༣ष൓ֹ֥ᆶ,ھֹᆶष൓֥ྴ3GBູࠧྴ୅ֹᆶb୅ֹᆶॢࡗӫູvmallocྴֹᆶॢࡗ,ᆜ۱ 物理地址与页面之间的映射ॢࡗФٳູ೏ۄ۱vmallocٳ஥,ૄ۱vmallocٳ஥Linuxࡼଽނ႘འልᄛ֞1MBఏ൓֥໾৘ֹႮstructvm_struct૭ඍ,෮Ⴕ֥vmallocٳ஥ቆӮᆶ,༢๤ູଽނ႘འყ਽ਔ8MB֥ྴ୅ॢࡗ,ߎູ၂۱৽౏vmallocٳ஥ᆭࡗႨ်૫ॢ༣ٳۯb٤৵ZONE_DMAყ਽ਔ16MB֥ྴ୅ॢࡗ,෮ၛᆇᆞ࿃֥໾৘်૫ॖ႘ഝ֞vmallocֹᆶॢࡗ֥৵࿃ିФଽނٳ஥൐Ⴈ֥ྴ୅ֹᆶॢࡗՖ3G+16MB်૫bࠧ0xC1000000ष൓,Վྴ୅ֹᆶ္൞mem_map෮ 连续内存分配ᄝ໊֥ᇂbॢ༽໾৘ଽթ်૫Ⴎࢲܒඔቆfree_area_tֹܵᆶሇߐݖӱٳູؽ҄,ֻ၂҄ൌགྷྴ୅ֹᆶ৘,೏ۄ৵࿃်૫ቆӮॶ,ॶᇏ෮ݣ်૫۱ඔ׻൞2֞໾৘ֹᆶ֥ሇߐ,ֻؽ҄ൌགྷ໾৘ֹᆶ်֞૫֥֥ٚૢ,ٳљູ2֥0Ցૢᇀ2֥9Ցૢ,նཬཌྷ๝႘ഝ,ྴ୅ֹᆶࡨಀ3GB֤໾৘ֹᆶ,໾৘ֹᆶႷ֥෮ႵॶቆӮ၂۱৽,܋10۱৽,৽๨ᄝඔቆfree_၍ཌྟֹᆶᇏ်ଽொ၍෮ᅝ໊֥ඔ်֤૫ݼ,ࡼ်area_tᇏb૫ݼቔູmem_mapඔቆ֥༯ѓ,ࠧॖ႘ഝ်֞૫ॢ༽໾৘ଽթ်૫ܵ৘࡮๭4b෮ᄝ໊ᇂb๭4 ॢ༽໾৘ଽթ်૫ܵ৘55 ٳ஥ൈ۴ऌ෮ླ৵࿃်૫ඔᄝൡކնཬ֥ॶ৽ 非连续内存分配ᇏҰᅳ,೏ھॶ৽ູ,ॢᄵࡼ༯၂ࠩॶ৽ᇏ֥ॶ֩ٳvmallocֹᆶॢࡗФٳູ೏ۄ۱vmallocٳ஥ູ2҆ٳ,၂҆ٳႨႿٳ஥,ਸ਼၂҆ٳҬೆഈ၂֥ࠩॶ,෮Ⴕ֥vmallocٳ஥ॶቆӮ၂۱৽,vmallocٳॶ৽ᇏ;߭൬ൈ߭൬ॶླაཌྷਣ֥ॢ༽ॶކѩުҬ஥ॶࡗႨ်૫ॢ༣ٳۯbvmallocֹᆶॢࡗೂ๭5ೆཌྷႋ֥ॢ༽ॶ৽ᇏb෮ൕb๭5 vmallocֹᆶॢࡗ ଽթᇏ൐Ⴈ৵࿃֥໾৘်൞ॖ౼,֥֌ႮႿຓ1GBູଽނॢࡗ҆ٳ,3GBၛഈնཬູRAMಸਈ်֥҆թᄝ൐֤ᆃᇕቓمࣜӈྛ҂๙,෮ၛLinuxࡆ်૫ॢ༣֥౵თႨႿ႘ഝ໾৘ଽթ,Їওଽނ႘൐Ⴈ၂ᇕvmallocࠏᇅ,ᄝᆃᇕࠏᇅᇏ,٤৵࿃֥໾འބ်૫႘ഝࢲܒmem_map,ഺჅູ֥vmallocֹ৘ଽթᄝྴթᇏ൞৵࿃֥bᆶॢࡗ,ႨႿࡼ٤৵࿃֥໾৘်૫႘ഝູvmalloc٤৵࿃֥໾৘်૫ٳ஥ݖӱٳູؽ,ֻ҄၂ֹ҄ᆶॢࡗ৵࿃်֥૫b۴ऌ෮ླ٤৵࿃໾৘်૫۱ඔෆ෬vmallocٳ஥6 ࢲඏე৽,֤֞ކൡ֥vmallocٳ஥ॶ;ֻؽ҄ٳ஥෮ླ֥LinuxҠቔ༢๤ᄝᇏݓ֥௴ࠣӱ؇ߎޓ҂ܔ,PGD࠺੣aPMD࠺੣aPTE࠺੣ބ်૫,ྙӮܱႿLinuxྴ୅թԥܵ৘֥໓֖ࢠኇك,֝ᇁvmalloc်і,Վ်іؓႋvmallocֹᆶॢࡗ֥৵࿃Linuxྴ୅թԥܵ৘ჰ৘ᆺିФޓഒ၂҆ٳଽނष်૫,ᆃུvmallocֹᆶॢࡗ֥৵࿃်૫൞٤৵࿃ؿದჴ෮ປಆ৘ࢳbЧ໓ᄝӂඍLinuxྴ୅թԥܵ໾৘်૫֥႘ഝb৘৘ં֥ࠎԤഈ,ሢᇗLinuxྴ୅թԥܵ৘ऎุൌvmalloc်іѩ҂උႿ֒భࣉӱ်֥і,֒ࣉགྷჰ৘֥௩༅,ᆻᄝ൐؀ᆀॹ෎ֹᅧ໤Linuxྴ୅ӱ٠໙vmallocֹᆶॢࡗൈ,ၹࣉӱ်֥іໃᆷཟթԥܵ৘֥ൌགྷჰ৘,ؓྴ୅թԥܵ৘֥ᄎྛࠏᇅvmallocֹᆶॢࡗطӁളಌ်ᇏ؎,ಌ်ᇏ؎ԩ৘۷ࡆ֤ྏႋ൭,ᄝLinuxҠቔ༢๤֥௴ࠣٚ૫ऎႵӱ྽Ⴈvmalloc်і۷ྍ֒భࣉӱ်֥і,൐֒భᆷ֝ၩၬbࣉӱ֤ၛ٠໙vmallocֹᆶॢࡗ်֥૫,ࣉط٠໙٤৵࿃֥໾৘်૫b[ҕ ॉ ໓ ང]5[1] (ιغধ)MelGorman.ധೆ৘ࢳLinuxྴ୅ଽթܵ৘[M].К Linuxྴ୅թԥൌགྷჰ৘ྴ୅ଽթ֥၂۱ᇶေݺԩࣼ൞ॖၛಞૄ۱ࣉӱࣘݴॢݴ฿ն࿐ԛϱഠ,2006,5.׻ႵඋႿሱ֥࠭ྴ୅ֹᆶॢࡗ,ᆃᇕॢࡗॖၛ๙ݖ[2] (ૅ)Ѱຳ,༆ථห.ധೆ৘ࢳLINUXଽނ(ֻ೘ϱ)[M].ᇏݓ׈৯ԛϱഠ,2007,9.Ҡቔ༢๤႘ഝ֞໾৘ଽթbLinuxࣉӱ֥ྴֹᆶॢ[3] (ૅ)ঘᏫ(Love,R.).Linuxଽނഡ࠹აൌགྷ(ֻؽϱ[M].ࠏࡗնཬູ4GB,ఃᇏ3GBູႨ޼ॢࡗ҆ٳ,ఃჅྀ۽ြԛϱഠ,2006, qing(DepartmentofComputerScienceandTechnology,HefeiTeachersCollege,Hefei230061,China)Abstract:Thisarticlediscussesindetailthebasisofvirtualstoragemanagementtheory,andtheLinuxop eratingsystemasanexample,atthesametime,itpresentsin :Linux,thekernel,physicalmemory,virtualmemory56