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Linux操作系統(tǒng)知識講解:走進Linux 內存分配算法

如意 ? 來源:Linux學習 ? 作者:佚名 ? 2020-08-28 10:57 ? 次閱讀

Linux 內存分配算法

內存管理算法——對討厭自己管理內存的人來說是天賜的禮物

1、內存碎片

1) 基本原理

產(chǎn)生原因:內存分配較小,并且分配的這些小的內存生存周期又較長,反復申請后將產(chǎn)生內存碎片的出現(xiàn)

優(yōu)點:提高分配速度,便于內存管理,防止內存泄露

缺點:大量的內存碎片會使系統(tǒng)緩慢,內存使用率低,浪費大

2) 如何避免內存碎片

少用動態(tài)內存分配的函數(shù)(盡量使用??臻g)

分配內存和釋放的內存盡量在同一個函數(shù)中

盡量一次性申請較大的內存,而不要反復申請小內存

盡可能申請大塊的 2 的指數(shù)冪大小的內存空間

外部碎片避免——伙伴系統(tǒng)算法

內部碎片避免——slab 算法

自己進行內存管理工作,設計內存池

2、伙伴系統(tǒng)算法——組織結構

1) 概念

為內核提供了一種用于分配一組連續(xù)的頁而建立的一種高效的分配策略,并有效的解決了外碎片問題

分配的內存區(qū)是以頁框為基本單位的

2) 外部碎片

外部碎片指的是還沒有被分配出去(不屬于任何進程),但由于太小了無法分配給申請內存空間的新進程的內存空閑區(qū)域3) 組織結構

把所有的空閑頁分組為 11 個塊鏈表,每個塊鏈表分別包含大小為 1,2,4,8,16,32,64,128,256,512 和 1024 個連續(xù)頁框的頁塊。最大可以申請 1024 個連續(xù)頁,對應 4MB 大小的連續(xù)內存

Linux操作系統(tǒng)知識講解:走進Linux 內存分配算法

3、伙伴系統(tǒng)算法——申請和回收

1) 申請算法

申請 2^i 個頁塊存儲空間,如果 2^i 對應的塊鏈表有空閑頁塊,則分配給應用

如果沒有空閑頁塊,則查找 2^(i 1) 對應的塊鏈表是否有空閑頁塊,如果有,則分配 2^i 塊鏈表節(jié)點給應用,另外 2^i 塊鏈表節(jié)點插入到 2^i 對應的塊鏈表中

如果 2^(i 1) 塊鏈表中沒有空閑頁塊,則重復步驟 2,直到找到有空閑頁塊的塊鏈表

如果仍然沒有,則返回內存分配失敗

2) 回收算法

釋放 2^i 個頁塊存儲空間,查找 2^i 個頁塊對應的塊鏈表,是否有與其物理地址是連續(xù)的頁塊,如果沒有,則無需合并

Linux操作系統(tǒng)知識講解:走進Linux 內存分配算法

如果有,則合并成 2^(i 1)的頁塊,以此類推,繼續(xù)查找下一級塊鏈接,直到不能合并為止

Linux操作系統(tǒng)知識講解:走進Linux 內存分配算法

3) 條件

兩個塊具有相同的大小

它們的物理地址是連續(xù)的

頁塊大小相同

4、如何分配 4M 以上內存?

1) 為何限制大塊內存分配

分配的內存越大, 失敗的可能性越大

大塊內存使用場景少

2) 內核中獲取 4M 以上大內存的方法

修改 MAX_ORDER, 重新編譯內核

內核啟動選型傳遞“mem=”參數(shù), 如“mem=80M,預留部分內存;然后通過

request_mem_region 和 ioremap_nocache 將預留的內存映射到模塊中。需要修改內核啟動參數(shù), 無需重新編譯內核。 但這種方法不支持 x86 架構, 只支持 ARM, PowerPC 等非 x86 架構

在 start_kernel 中 mem_init 函數(shù)之前調用 alloc_boot_mem 函數(shù)預分配大塊內存, 需要重新編譯內核

vmalloc 函數(shù),內核代碼使用它來分配在虛擬內存中連續(xù)但在物理內存中不一定連續(xù)的內存

5、伙伴系統(tǒng)——反碎片機制

1) 不可移動頁

這些頁在內存中有固定的位置,不能夠移動,也不可回收

內核代碼段,數(shù)據(jù)段,內核 kmalloc() 出來的內存,內核線程占用的內存等

2) 可回收頁

這些頁不能移動,但可以刪除。內核在回收頁占據(jù)了太多的內存時或者內存短缺時進行頁面回收3) 可移動頁

這些頁可以任意移動,用戶空間應用程序使用的頁都屬于該類別。它們是通過頁表映射的

當它們移動到新的位置,頁表項也會相應的更新

6、slab 算法——基本原理

1) 基本概念

Linux 所使用的 slab 分配器的基礎是 Jeff Bonwick 為 SunOS 操作系統(tǒng)首次引入的一種算法

它的基本思想是將內核中經(jīng)常使用的對象放到高速緩存中,并且由系統(tǒng)保持為初始的可利用狀態(tài)。比如進程描述符,內核中會頻繁對此數(shù)據(jù)進行申請和釋放

2) 內部碎片

已經(jīng)被分配出去的的內存空間大于請求所需的內存空間3) 基本目標

減少伙伴算法在分配小塊連續(xù)內存時所產(chǎn)生的內部碎片

將頻繁使用的對象緩存起來,減少分配、初始化和釋放對象的時間開銷

通過著色技術調整對象以更好的使用硬件高速緩存

7、slab 分配器的結構

由于對象是從 slab 中分配和釋放的,因此單個 slab 可以在 slab 列表之間進行移動

slabs_empty 列表中的 slab 是進行回收(reaping)的主要備選對象

slab 還支持通用對象的初始化,從而避免了為同一目而對一個對象重復進行初始化

Linux操作系統(tǒng)知識講解:走進Linux 內存分配算法

8、slab 高速緩存

1) 普通高速緩存

slab 分配器所提供的小塊連續(xù)內存的分配是通過通用高速緩存實現(xiàn)的

通用高速緩存所提供的對象具有幾何分布的大小,范圍為 32 到 131072 字節(jié)。

內核中提供了 kmalloc() 和 kfree() 兩個接口分別進行內存的申請和釋放

2) 專用高速緩存

內核為專用高速緩存的申請和釋放提供了一套完整的接口,根據(jù)所傳入的參數(shù)為具體的對象分配 slab 緩存

kmem_cache_create() 用于對一個指定的對象創(chuàng)建高速緩存。它從 cache_cache 普通高速緩存中為新的專有緩存分配一個高速緩存描述符,并把這個描述符插入到高速緩存描述符形成的 cache_chain 鏈表中

kmem_cache_alloc() 在其參數(shù)所指定的高速緩存中分配一個 slab。相反, kmem_cache_free() 在其參數(shù)所指定的高速緩存中釋放一個 slab

9、內核態(tài)內存池

1) 基本原理

先申請分配一定數(shù)量的、大小相等(一般情況下) 的內存塊留作備用

當有新的內存需求時,就從內存池中分出一部分內存塊,若內存塊不夠再繼續(xù)申請新的內存

這樣做的一個顯著優(yōu)點是盡量避免了內存碎片,使得內存分配效率得到提升

2) 內核 API

mempool_create 創(chuàng)建內存池對象

mempool_alloc 分配函數(shù)獲得該對象

mempool_free 釋放一個對象

mempool_destroy 銷毀內存池

Linux操作系統(tǒng)知識講解:走進Linux 內存分配算法

10、用戶態(tài)內存池

1) C++ 實例

Linux操作系統(tǒng)知識講解:走進Linux 內存分配算法

11、DMA 內存

1) 什么是 DMA

直接內存訪問是一種硬件機制,它允許外圍設備和主內存之間直接傳輸它們的 I/O 數(shù)據(jù),而不需要系統(tǒng)處理器的參與2) DMA 控制器的功能

能向 CPU 發(fā)出系統(tǒng)保持(HOLD)信號,提出總線接管請求

當 CPU 發(fā)出允許接管信號后,負責對總線的控制,進入 DMA 方式

能對存儲器尋址及能修改地址指針,實現(xiàn)對內存的讀寫操作

能決定本次 DMA 傳送的字節(jié)數(shù),判斷 DMA 傳送是否結束

發(fā)出 DMA 結束信號,使 CPU 恢復正常工作狀態(tài)

2) DMA 信號

DREQ:DMA 請求信號。是外設向 DMA 控制器提出要求,DMA 操作的申請信號

DACK:DMA 響應信號。是 DMA 控制器向提出 DMA 請求的外設表示已收到請求和正進行處理的信號

HRQ:DMA 控制器向 CPU 發(fā)出的信號,要求接管總線的請求信號。

HLDA:CPU 向 DMA 控制器發(fā)出的信號,允許接管總線的應答信號:

Linux操作系統(tǒng)知識講解:走進Linux 內存分配算法

責編AJX

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