x86架构下的Linux内存管理与虚拟地址空间解析

"Linux在x86上内存管理" 在Linux操作系统中，特别是在x86架构的Intel 80386、80486和Pentium系列处理器上，内存管理是一个至关重要的方面。x86架构支持两种内存管理模式：实地址模式和保护模式。实地址模式限制了CPU只能访问1MB的内存，而保护模式则通过提供虚拟存储的硬件机制，使得操作系统能够支持多进程并提供存储保护。 x86架构的虚拟地址空间由分页和分段两种机制共同构建。分页机制将较大的虚拟地址空间划分为较小的页，使得内存管理更加灵活且高效；分段机制则将地址空间分割成逻辑上的段，每个段可包含不同的代码和数据，有助于实现存储隔离和保护。逻辑地址是程序中使用的地址，需要经过分段和分页两次转换才能转化为物理地址，以访问实际的内存单元。 在80386处理器中，物理地址空间最大可达4GB，这是由32位地址总线决定的。而逻辑地址空间则高达64TB，远超过物理地址空间，这是因为逻辑地址包含了段选择子和段内的偏移量。逻辑地址首先通过段机制转化为32位的线性地址，然后再通过分页机制将线性地址映射到4GB的物理地址空间。 x86的虚拟地址空间被分为全局地址空间和局部地址空间。全局地址空间是所有进程共享的，通常存储操作系统的核心组件和数据；局部地址空间则为每个进程所独有，包括其代码、数据和其他私有资源。全局地址空间和局部地址空间各自最多可包含8K个段，每个段的最大大小为4GB。 为了管理这些段，x86引入了段描述符表。段描述符表包含了关于每个段的位置、大小和权限等信息，每个段描述符占8字节。系统维护两个主要的段描述符表：全局描述符表（GDT）和局部描述符表（LDT）。GDT是所有进程共享的，用于描述全局地址空间中的段；而LDT则属于每个进程，用于描述其局部地址空间中的段。系统中每个进程都拥有一个LDT，与进程数量相对应。 Linux内存管理还涉及到页表的管理和内存分配策略，如伙伴系统和slab分配器，这些都是实现高效内存分配和回收的关键机制。此外，Linux还通过内存映射、交换和缓存管理来优化内存使用，确保系统的稳定性和性能。这些复杂的内存管理机制共同保证了Linux在x86平台上能够高效、安全地运行多个并发进程，并充分利用有限的物理内存资源。