03_013内存分配api以及页表详解

前言

之前文章中物理ram中的最小单位一直用页来表示
这次又描述的详细了点
物理ram的最小单位有的地方叫块,框,页帧在虚拟空间中最小单位也叫页需要好好区分
不过后来想想管你虚拟页还是物理ram页都存在物理ram上都能想成一一对应的关系所以大家都叫页好像也行

内存分配接口

linux内核中有很多分配内存的接口傻傻分不清下面总结一下每个的作用

用户空间使用(malloc/calloc/realloc/free)

用户空间(malloc/calloc/realloc/free) 。不保证物理连续。大小限制(堆申请)。单位为字节。
场景: calloc初始化为0，realloc改变内存大小。
mmap/munmap。场景:将文件利用虚拟内存技术映射到用户空间内存当中。
brk/sbrk。场景:虚拟内存到内存的映射。

内核空间(vmalloc/vfree)

内核空间(vmalloc/vfree) 。虚拟连续/物理不连续。大小限制(vmalloc区) 单位为页(vmalloc区域)。
场景:可能睡眠，不能从中断上下文中调用，或其他不允许阻塞情况下调用。
void *vmalloc(unsigned long size);
分配不连续的物理页并且把物理页映射到连续的虚拟地址空间;
void vfree (const void * addr);
释放vmalloc分配的物理页和虚拟地址空间; .
void *vmap(struct type **pages,unsigned int count,unsigned long flags,pgprot t prot);
把已经分配的不连续物理而映射到连续的虚拟地址空间;
void vunmap(const void *addr);
释放使用vmap分配的虚拟地址空间。

slab分配器常用(kmalloc/kcalloc/krealloc/kfree) 。物理连续。大小限制(64b–4mb) 。单位为2^order字节(Normal区域)。
场景:大小有限，不如vmalloc/malloc大。
还有一个叫做kmem_ cache_ create (物理连续。64-4mb。字节大小需要对齐(Normal区域)。
场景:便于固定大小数据的频繁分配和释放,分配时从缓存池中获取地址，释放时也不一定真正释放内存，通过slab进行管理)。

伙伴系统( get_free_ page | _ get_ free_ pages)。物理连续。4mb (1024页) ，单位为页(Normal区域)。
场景:get free_ pages,但是限定不能使用HIGHMEM)
alloc_ page/alloc_ pages/free_ pages, 物理连续。4mb,单位为页(Normal/Vmalloc都可以) 。
场景:配置定义最大页面数2^11, -次能分配到的最大页面数是1024。

页表

页表作用把虚拟页映射到物理页

虚拟地址

在LINUX系统下，虚拟地址空间实际上是一个 mm_struct的结构体，是对一块内存空间的描述，通过这个描述向进程虚拟出一个连续的，完整的内存空间。
在这里插入图片描述

为什么要虚拟地址

为了让进程不直接访问物理内存
如过进程直接访问物理内存：
1.进程中的代码数据使用的是连续的地址空间，如果直接使用连续的物理内存会造成内存浪费。
2.在物理内存上任何区域和位置都能可读可写直接访问物理内存会因为缺乏内存访问控制而导致进程的不安全

虚拟内存物理ram内存映射图

每个进程都有自己的页表数据都在物理内存上
Cpu在执行对应的进程时候都会访问相对的内存 cpu不会直接访问物理内存
而是通过虚拟地址空间间接访问物理地址 ,操作系统给每个进程分配的逻辑地址(cpu使用的地址)
比如在32位机器上虚拟地址空间就是0~4G 操作系统把虚拟地址空间和物理地址空间建立映射
让cpu间接访问物理地址通常在虚拟地址空间中 512字节到8k为一个单位称为页
在这里插入图片描述
CPU并不是直接访问物理内存地址,而是通过虚拟地址空间来间接的访问物理内存地址。
虚拟地址空间是操作系统为每个正在执行的进程分配一个逻辑地址,比如在32位系统，范围0~4G-1。
操作系统通过将虚拟地址空间和物理内存地址之间建立映射关系,让CPU能够间接访问物理内存地址。
一般情况将虚拟地址空间以512byte-8K, 作为-个单位，称为页,并从0开始依次对它进行页编号。
这个大小就称为页面。将物理地址按照同样大小，作为一个单位,称为框或者是块。
也从0开始依次进行对每个框编号。操作系统通过维护一张表,这张表记录每一对页和框的映射关系。windows系统页面大小为4KB。
在这里插入图片描述
系统为每个进程建立一个页表，在进程逻辑地址空间中每一页，依次在页表中有一个表项,
记录该页对应的物理块号。
通过查找页表就可以很容易地找到该页在内存中的位置。页表具有逻辑地址到物理地址映射作用。

ARM64处理器页表

Linux内核把页表直接分为4级:
页全局目录(PGD)、
页上层目录(PUD) 、
页中间目录(PMD)、
直接页表(PT)。
如果选择三级(页全局目录、页中间目录、直接页表)。
如果选择二_级(页全局目录和直接页表)。
五级页表的结构,每个进程有独立的页表,进程的mm_struct实例成员pgd指向页全局目录。
前面四级页表的表项存放下一-级页表的起始地址，直接页表的表项存放页帧号(PFN)

在这里插入图片描述
查询页表，把虚拟地址转换成物理地址流程:
1、根据页全局目录的起始地址和页全局目录索弓|得到页全局目录表项的地址，然后再从表项得到页四级目录的起
始地址;
2、根据页四级目录的起始地址和页四级目录索引|得到页四级目录表项的地址，然后从表项得到页上层目录的起始
地址;
3、根据页上层目录的起始地址和页上层目录索引|得到页上层目录表项的地址，然后从表项得到页中间目录的起始
地址;
4、根据页中间目录的起始地址和页中间目录索引|得到页中间目录表项的地址，然后从表项得到直接页表的起始地
址;
5、根据直接页表的起始地址和直接页表索弓|得到页表项的地址，然后从表项得到页帧号;
6、把页帧号和页内偏移组合形成物理地址。