虚拟内存与Linux操作系统 - AlanOtt的讲解

"虚拟内存与Linux——Alan Ott.pdf" 在深入探讨Linux内存管理之前，我们先了解下物理内存和虚拟内存的基本概念。物理内存是计算机实际的RAM，它直接与处理器交互，而虚拟内存则是一种软件实现的技术，为每个进程提供了一个独立的、连续的地址空间，即使实际的物理内存可能是分散的。 Alan Ott在嵌入式Linux会议上讨论了Linux内存管理，特别是虚拟内存。在传统的“扁平”内存模型中，所有的内存（包括内存和外设）共享一个单一的地址空间。这意味着没有内存保护机制，用户空间程序可以直接访问内核内存，这显然会带来安全隐患。例如，8086到80206系列的CPU、ARMCortex-M、8和16位的PIC、AVR以及SH-1和SH-2等处理器都采用这种模型。 然而，x86架构的内存映射比较复杂，由于历史遗留原因，RAM被分为DOS区域和扩展区域，硬件映射在这些区域之间，且高地址和扩展内存的访问方式不同。这样的设计限制了代码的可移植性，并增加了内存管理的复杂性，因为需要知道或检测总RAM量，同时保持进程隔离，而且缺乏内存保护，一旦有恶意程序，整个系统可能受到破坏。 虚拟内存的引入解决了这些问题。它为每个进程创建了一个独立的地址空间，使得每个进程都认为自己独占内存，实际上，这些地址是由操作系统映射到物理内存的。通过页表和页交换技术，虚拟内存系统可以将不活跃的数据存储到磁盘上，释放物理内存供其他进程使用，这就是常说的交换空间。这种方式提供了内存保护，防止一个进程破坏另一个进程或内核的内存，同时也提高了内存的利用率。 在Linux中，内存管理包括页表维护、内存分配（如malloc/free）、内存碎片管理、交换机制等。内核使用slab分配器来高效地管理内存块，同时还有伙伴系统处理大块内存的分配和回收。此外，Linux还支持内存压榨（overcommit），允许进程申请超过物理内存总量的内存，但实际分配时会根据当前内存使用情况谨慎处理。 虚拟内存的另一个关键组件是VM（虚拟内存）子系统，它负责页面的换入换出，以及如何决定哪些页面应该保留在内存中，哪些应该换出到磁盘。LRU（最近最少使用）算法是常用的页面替换策略之一，但Linux也提供了其他选项，如OOM（Out of Memory）杀手，当系统内存不足时，它可以杀死某些进程以释放内存。 Linux内存管理系统是一个复杂的层次结构，旨在优化性能、安全性以及资源的有效利用。虚拟内存是其中的核心技术，它为现代操作系统提供了必要的灵活性和安全性，使得多个进程可以在有限的物理内存资源上安全、高效地运行。