Linux操作系统知识讲解：走进Linux 内存使用场景

导读大家好，我是极客范的本期栏目编辑小友，现在为大家讲解Linux操作系统知识讲解：走进Linux 内存使用场景问题。内存使用场景失忆的时代结束

大家好，我是极客范的本期栏目编辑小友，现在为大家讲解Linux操作系统知识讲解：走进Linux 内存使用场景问题。

内存使用场景

失忆的时代结束了吗？不，不管你有多少内存，都不能随意使用。

1.内存的使用场景。

页面管理

Slab(kmalloc，内存池)

用户模式内存使用(malloc、relloc文件映射、共享内存)

程序的内存映射(堆栈、堆、代码、数据)。

以及内核模式下的数据传输(copy_from_user，copy_to_user)。

内存映射(硬件寄存器、保留内存)

直接存储器存取存储器

2.用户模式下的内存分配功能。

Alloca正在向堆栈请求内存，因此没有必要释放它。

malloc分配的内存空间没有初始化，使用malloc()函数的程序刚开始可以正常运行(内存空间没有重新分配)，但是一段时间后(内存空间已经重新分配)，可能会出现问题。

Calloc将分配的内存空间中的每一位初始化为零。

Realloc扩展了现有的内存空间大小。

a)如果当前连续内存块足够重新锁定，只需扩展p所指向的空间，返回p的指针地址.此时，q和p指向同一个地址。

b)如果当前连续内存块不够长，找一个足够长的地方，分配一个新的内存，q，将p指向的内容复制到q，返回q，p指向的内存空间被删除。

3.内核状态内存分配函数。

函数分配原则最大内存Other _get_free_pages直接操作页面框架4MB适合分配大量连续的物理内存。kmem_cache_alloc基于slab机制实现128KB。在频繁申请释放相同大小的内存块时，kmalloc是基于kmem_cache_alloc实现128KB最常用的分配方式。当需要小于页面帧大小的内存时，可以使用vmalloc建立不连续物理内存到虚拟地址映射的物理不连续性，适用于大内存的需求。但在不需要地址连续性的地方，dma_alloc_coherent基于_alloc_pages实现4MB，适合dma操作。ioremap实现了从已知物理地址到虚拟地址的映射，适用于物理地址已知的情况。比如设备驱动alloc_bootmem启动内核时，会预留一个内存，而内核是不可见的，小于物理内存大小，所以内存管理要求比较高。

4.malloc申请了内存。

当调用malloc函数时，它会沿着free_chuck_list连接表寻找一个足够大的内存块来满足用户的请求。

free_chuck_list连接表的主要任务是维护一个空闲堆空间缓冲区链表。

如果在空间缓冲区链表中没有找到对应的节点，则需要通过调用sys_brk来扩展进程的堆栈空间。

5.异常缺页。

通过get_free_pages申请一个或多个物理页面。

翻译过程pdg图中addr所在的pte地址。

将addr对应的pte设置为物理页面的第一个地址。

系统调用：Brk—请求的内存小于或等于128kb，do_map—请求的内存大于128kb。

;">6、用户进程访问内存分析

用户态进程独占虚拟地址空间，两个进程的虚拟地址可相同

在访问用户态虚拟地址空间时，如果没有映射物理地址，通过系统调用发出缺页异常

缺页异常陷入内核，分配物理地址空间，与用户态虚拟地址建立映射

7、共享内存

1）原理

它允许多个不相关的进程去访问同一部分逻辑内存

两个运行中的进程之间传输数据，共享内存将是一种效率极高的解决方案

两个运行中的进程共享数据，是进程间通信的高效方法，可有效减少数据拷贝的次数

2） shm 接口

shmget 创建共享内存

shmat 启动对该共享内存的访问，并把共享内存连接到当前进程的地址空间

shmdt 将共享内存从当前进程中分离责编AJX

内存使用场景

out of memory 的时代过去了吗？no，内存再充足也不可任性使用。

1、内存的使用场景

page 管理

slab（kmalloc、内存池）

用户态内存使用（malloc、relloc 文件映射、共享内存）

程序的内存 map（栈、堆、code、data）

内核和用户态的数据传递（copy_from_user、copy_to_user）

内存映射（硬件寄存器、保留内存）

DMA 内存

2、用户态内存分配函数

alloca 是向栈申请内存，因此无需释放

malloc 所分配的内存空间未被初始化，使用 malloc（）函数的程序开始时（内存空间还没有被重新分配）能正常运行，但经过一段时间后（内存空间已被重新分配）可能会出现问题

calloc 会将所分配的内存空间中的每一位都初始化为零

realloc 扩展现有内存空间大小

a）如果当前连续内存块足够 realloc 的话，只是将 p 所指向的空间扩大，并返回 p 的指针地址。这个时候 q 和 p 指向的地址是一样的

b）如果当前连续内存块不够长度，再找一个足够长的地方，分配一块新的内存，q，并将 p 指向的内容 copy 到 q，返回 q。并将 p 所指向的内存空间删除

3、内核态内存分配函数

函数分配原理最大内存其他_get_free_pages直接对页框进行操作4MB适用于分配较大量的连续物理内存kmem_cache_alloc基于 slab 机制实现128KB适合需要频繁申请释放相同大小内存块时使用kmalloc基于 kmem_cache_alloc 实现128KB最常见的分配方式，需要小于页框大小的内存时可以使用vmalloc建立非连续物理内存到虚拟地址的映射物理不连续，适合需要大内存，但是对地址连续性没有要求的场合dma_alloc_coherent基于_alloc_pages 实现4MB适用于 DMA 操作ioremap实现已知物理地址到虚拟地址的映射适用于物理地址已知的场合，如设备驱动alloc_bootmem在启动 kernel 时，预留一段内存，内核看不见小于物理内存大小，内存管理要求较高

4、malloc 申请内存

调用 malloc 函数时，它沿 free_chuck_list 连接表寻找一个大到足以满足用户请求所需要的内存块

free_chuck_list 连接表的主要工作是维护一个空闲的堆空间缓冲区链表

如果空间缓冲区链表没有找到对应的节点，需要通过系统调用 sys_brk 延伸进程的栈空间

5、缺页异常

通过 get_free_pages 申请一个或多个物理页面

换算 addr 在进程 pdg 映射中所在的 pte 地址

将 addr 对应的 pte 设置为物理页面的首地址

系统调用：Brk—申请内存小于等于 128kb，do_map—申请内存大于 128kb

6、用户进程访问内存分析