深入理解 Linux 核心：虛擬位址空間與實體記憶體的映射關係

顯存映射

化學顯存合稱為尋址，動態隨機存取顯存（DRAM）。只有核心才可以直接存取數學顯存。

Linux核心為每位行程提供了一個獨立的虛擬位址空間，但是這個位址空間是連續的。這樣，進程就可以很方便地存取顯存，更精確地說是存取虛擬顯存。虛擬位址空間的內部又被分成核心空間和使用者空間兩份。

#進程在用戶態時，只能存取用戶空間顯存；只有步入內核態後，才可以存取內核空間顯存。其實每位行程的位址空間都包含了核心空間，但這種核心空間，雖然關聯的都是相同的化學顯存，也就是共享動態連結函式庫、共享顯存等。當行程切換到核心態後，就可以很方便地存取核心空間顯存。

並不是所有的虛擬顯存就會分配化學顯存，只有這些實際使用的虛擬顯存才分配化學顯存，但是分配後的化學顯存，是透過顯存映射來管理的。顯存映射，雖然就是將虛擬顯存位址映射到化學顯存位址。為了完成顯存映射，核心為每位進程都維護了一張頁表，記錄虛擬位址與化學位址的映射關係。

#頁表實際上儲存在CPU的顯存管理單元MMU中，這樣，正常情況下，處理器就可以直接通過硬件，找出要存取的顯存。而當進程存取的虛擬位址在頁表中查不到時，系統會形成一個缺頁異常，步入內核空間分配化學顯存、更新進程頁表，最後再返回用戶空間，恢復進程的運作。

CPU上下文切換中的TLB（TranslationLookasideBuffer，轉譯後備緩衝器）是MMU中頁表的快取。因為進程的虛擬位址空間是獨立的linux是什麼系統，而TLB的存取速率又比MMU快得多，所以，透過降低進程的上下文切換，降低TLB的刷新次數，就可以提升TLB快取的使用率，從而提升CPU的顯存存取效能。

MMU規定了一個顯存映射的最小單位，也就是頁，一般是4KB大小。這樣，每一次顯存映射，都必須關聯4KB或則4KB整數倍的顯存空間。

4KB大小的頁，會造成整個頁表會顯得十分大，例如32位元系統4GB/4KB=100多萬個頁表項。為了解決頁表項過多的問題，Linux提供了兩種機制，也就是多層頁表和大頁（HugePage）。

#多層頁表就是把顯存分成區塊來管理，將原先的映射關係改成區塊索引和區塊內的偏斜。因為虛擬顯存空間一般只用了極少一部分，這麼，多級頁表就只保存那些使用中的區塊，這樣就可以大大地減低頁表的項數。 Linux以四級頁表管理顯存頁，虛擬位址分為5個部份，前4個表項用於選擇頁，而最後一個索引表示頁內偏斜。

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大頁，就是比普通頁更大的顯存區塊，常見的大小有2MB和1GB。大頁一般用在使用大量顯存的程序上，例如Oracle、DPDK等。

透過這個機制，在頁表的對應下，流程就可以透過虛擬位址來存取數學顯存了。

虛擬顯存空間分佈

最上方的是核心空間，下方的是用戶空間顯存，用戶空間又被分成多個不同的段

#使用者空間顯存，從低到高分別是5種不同的顯存段

1、唯讀段，包括程式碼和常數等

#2、資料段，包括全景變數等

3、堆，包含動態分配的顯存，從低位址開始向下下降

#4、檔案映射段，包括動態函式庫，共享顯存等，從高位址開始向上下降

5、棧，包括局部變數和函數呼叫的上下文等，堆疊的大小是固定的，通常是8M

這5個顯存段中，堆和檔案對映的顯存是動態分配的，例如使用C標準函式庫的malloc或mmap()，就可以分別在堆和文件映射段動態分配顯存。 64位元系統的顯存分佈也是類似的，只是顯存空間要大的多

顯存分配與回收

malloc()是C標準函式庫提供的顯存分配函數，對應到系統呼叫上，有兩種實作方法，即brk()和mmap()。

#對小塊顯存（大於128K），C標準函式庫使用brk()來分配，也就是透過聯通堆頂的位置來分配顯存。這種顯存釋放後並不會立即歸還系統，而是被快取上去，這樣就可以重複使用。

#對大塊顯存（小於128K），則直接使用顯存映射mmap()來分配，也就是在檔案映射段找一塊空閒顯存分配出去。

這兩種方法的異同點：

brk()方法的緩存，可降低缺頁異常的發生，提升顯存存取效率。不過，因為這種顯存沒有歸還系統，在顯存工作忙碌時，頻繁的顯存分配和釋放會導致顯存碎片。

mmap()方法分配的顯存，會在釋放時直接歸還系統，所以每次mmap就會發生缺頁異常。在顯存工作忙碌時，頻繁的顯存分配會造成大量的缺頁異常，使核心的管理負擔減少。這也是malloc只對大塊顯存使用mmap的誘因。

須要注意的是：當這兩種呼叫發生後，雖然並沒有真正分配顯存。這種顯存，都只在首次存取時才分配，也就是透過缺頁異常步入核心中，再由核心來分配顯存。

整體來說，Linux使用夥伴系統來管理記憶體分配。上面我們談到過，這種顯存在MMU中以頁為單位進行管理，夥伴系統也一樣linux漏洞掃描，以頁為單位來管理顯存，而且會透過相鄰頁的合併，降低顯存碎片化（例如brk法導致的顯存碎片）。

但在實際系統運作中，會有大量比頁還小的對象，如不到1K，倘若為它們也分配單獨的頁，會浪費大量的顯存，那該如何分配顯存呢？

在使用者空間linux 使用者分配空間，malloc透過brk()分配的顯存，在釋放時並非立刻歸還系統，而是快取上去重複借助。

在核心空間，Linux則透過slab分配器來管理小顯存。你可以把slab看成建立在夥伴系統上的一個緩存，主要作用就是分配並釋放核心中的小物件。

#顯存回收：對顯存來說，假如只分配而不釋放，還會導致顯存洩露，甚至會用盡系統顯存。所以，在應用程式用完顯存後，還必須呼叫free()或unmap()，來釋放那些不用的顯存。其實，系統也不會任由某個行程用完所有顯存。在發覺顯存緊張時，系統也會透過一系列機制回收顯存，例如下邊這三​​種形式：

（1）回收緩存，例如使用LRU（LeastRecentlyUsed）演算法，回收近來使用最少的顯存頁面。

（2）回收不常存取的顯存，把不常用的顯存透過交換分區（Swap）直接講到c盤中。 Swap雖然就是把一塊c盤空間當作顯存來用。它可以把進程暫時不用的資料儲存到c盤中（這個過程稱為換出），當進程存取那些顯存時，再從c盤讀取這種資料到顯存中（這個過程稱為換入）。 Swap把系統的可用顯存變大了，但一般只在顯存不足時，就會發生Swap交換，而且因為c盤讀寫的速率遠比顯存慢，Swap會造成嚴重的顯存效能問題。

（3）殺害進程，顯存緊張時系統就會通過OOM（OutofMemory，核心的一種保護機制），直接殺掉佔用大量顯存的進程。 OOM監控進程的顯存使用情況，但使用oom_score為每位行程的顯示使用情況進行評分：

一個行程消耗的顯存越大，oom_score就越大；

一個行程運行佔用的CPU越多，oom_score就越小。

這樣，進程的oom_score越大，代表消耗的顯存越多，就越容易被OOM殺害，進而可以更好地保護系統。

其實，為了實際工作的須要，管理員可以通過/proc檔案系統，自動設定進程的oom_adj，因而調整進程的oom_score。 oom_adj的範圍是[-17,15]，數值越大，表示進程越容易被OOM殺害；數值越小，表示進程越不容易被OOM殺害，其中-17表示嚴禁OOM。如用下邊的命令，你就可以把sshd進程的oom_adj調小為-16，這樣，sshd進程就不容易被OOM殺害。

echo-16>/proc/$(pidofsshd)/oom_adj

##buffer和cache

free指令中buffer和cache都表示緩存，但用途不一樣

1、Buffer，是核心緩衝區用到的顯存，對應的是/proc/meminfo中的Buffer值

2、Cache，是核心頁快取和Slab用到的顯存，對應的是/proc/meminfo中的Cache和SReclaimable總和

簡單來說，Buffer是對c碟資料的緩存，而Cache是​​檔案資料的緩存，它們既會用在讀取懇求中，也會用在寫懇求中。

cache（快取）從CPU角度考慮，是為了提升cpu和顯存之間的資料交換速率而設計的，例如平常看到的一級快取、二級快取、三級快取。 cpu在執行程式所使用的指令和讀取資料都是針對顯存的，也就是從顯存中取得的。因為顯存讀寫速率慢，為了提升cpu與顯存之間資料交換的速率，在cpu與顯存之間降低了cache，它的速率比顯存快linux 使用者分配空間，而且造價高，又因為在cpu內不能整合太多積體電路，所以通常cache比較小，之後intel等公司為了進一步提升速率，又降低了二級cache，甚至五級cache，它是按照程式的局部性原理而設計的，就是cpu執行的指令和存取的資料常常在集中的某一塊，所以把這塊內容裝入cache後，cpu就不用在存取顯存了，這就提升了存取速率。其實若cache中沒有cpu所須要的內容，還是要存取顯存的。

從顯存讀取與c盤讀取角度考慮，cache可以理解為作業系統為了更高的讀取效率，更多的使用顯存來快取可能被再度存取的資料。

緩衝（buffers）是為了提升顯存和硬盤（或其他I/O裝置）之間的資料交換的速率而設計的。把分散的寫入操作集中進行，降低c盤碎片和硬盤的重複尋道，因而提升系統效能。 linux有一個守護程式定期清空緩衝內容（即寫入c碟），也可以透過sync指令自動清空緩衝。

簡單來說，buffer是即即將被寫入c盤的，而cache是​​被從c盤中讀下來的。 buffer是由各類別進程分配的，被用在如輸入佇列等方面。一個簡單的反例如某個進程要求有多個數組讀入，在所有數組被讀入完整之前，進程把原本讀入的數組置於buffer中保存。

cache常常被用在c盤的I/O懇求上，假如有多個進程都要訪問某個文件，於是該文件便被弄成cache以便捷上次被訪問，這樣可提升系統性能。

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