Linux编程深入浅出：从硬件基础到软件应用

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Linux编程从入门到精通本资源摘要信息将涵盖 Linux 编程从入门到精通的知识点，包括硬件基础、软件基础、Linux 操作系统的发展历程、PC 的发展历程、Linux 编程的基础知识等。一、硬件基础硬件基础是 Linux 操作系统的基础，操作系统需要硬件提供特定的服务。了解硬件基础知识是理解 Linux 操作系统的关键。硬件基础包括 CPU、存储器、输入/输出设备等。 * 硬件基础知识点： + CPU：Intel 8080 处理器、Intel 8088 处理器、Intel Pentium Pro 处理器等 + 存储器：256 字节、64 KB、1 MB 等 + 输入/输出设备：键盘、屏幕、软盘、硬盘等二、软件基础软件基础是 Linux 操作系统的核心，包括操作系统的发展历程、PC 的发展历程等。 * 软件基础知识点： + 操作系统的发展历程：从 Altair 8080 到 IBM PC，到现在的 Linux 操作系统 + PC 的发展历程：从 IBM PC 到现在的 PC 体系结构 + 软件黑客：Ed. Roberts、黑客们为 Altair 8080 写软件和建造硬件三、Linux 操作系统 Linux 操作系统是基于 Unix 操作系统的开源操作系统，由 Linus Torvalds 创建。 * Linux 操作系统知识点： + Linux 操作系统的发展历程 + Linux 操作系统的特点：免费、开源、可移植性强等 + Linux 操作系统的应用：服务器、桌面计算机、嵌入式系统等四、Linux 编程基础 Linux 编程基础是指编写 Linux 操作系统的程序，包括编程语言、编程工具等。 * Linux 编程基础知识点： + 编程语言：C 语言、C++ 语言、Python 语言等 + 编程工具：GCC 编译器、Make 工具等 + Linux 编程基础知识：进程管理、文件系统、网络编程等五、总结本资源摘要信息涵盖了 Linux 编程从入门到精通的知识点，包括硬件基础、软件基础、Linux 操作系统和 Linux 编程基础等。通过学习这些知识点，可以帮助读者更好地理解 Linux 操作系统和 Linux 编程。

第2章内存管理 21

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L i n u x运行的每一个平台都必须提供转换宏，使得内核可以遍历一个特定进程的页表。这

样，内核不必知道页表项的格式以及它们如何组织。这是一种很成功的方法： L i n u x为A l p h a

处理器提供三级页表，而对 Intel x86处理器，只提供两级页表，但使用相同的页表处理代码。

2.4 页分配和回收

系统中有许多对物理页的请求。例如，当一个映像被装载入内存时操作系统需要分配页。

当映像结束执行并卸载时这些页又将被释放。物理页的另一个使用是保存内核专用的数据结

构，比如页表本身。用来进行页分配和回收的机制和数据结构或许是维持虚拟内存子系统高

效的最关键的一点。

系统中所有物理页都用 m e m _ m a p 数据结构描述，它是一个在启动时被初始化的

m e m _ m a p _ t结构的列表。每个m e m _ m a p _ t ，描述系统中一个物理页。一些重要的字段有 (仅对

内存管理而言)：

• count 本页使用者计数。当该页被许多进程共享时计数将大于 1。

• age 描述本页的年龄，用来判断该页是否为淘汰或交换的好的候选。

• map_nr men_map_t描述的物理页的页帧号。

F r e e _ a r e a向量被页分配代码用来寻找和释放页。整个缓冲区管理设计是基于这个机制的

支持，并且对于代码来说，页大小和处理器所使用的物理分页机制是无关的。

F r e e _ a r e a 的每个元素包含页块的信息。数组中第一个元素描述一页，下一个描述两页的

一块，再下一个描述 4页的一块，依此以 2的幂增长。 L i s t 元素用作一个队列头并含有指向

m e m _ m a p 数组中p a g e 数据结构的指针，空闲的页块在这里排成队列。 m a p 是指向一个位图的

指针，该位图跟踪被分配的该大小的页组。如果第几个块空闲，则位图中第几位将被置位 N。

图1 - 2 - 4展示了f r e e _ a r e a 结构。元素0有一个空闲页 (页帧号0 )，而元素2有两个空闲的 4页

块，第一个开始于页帧号4而第二个开始于页帧号5 6 。

图1-2-4 free-area数据结构

空闲PFN

物理内存

2.4.1 页分配

L i n u x 使用B u d d y 算法2 来高效地分配和回收页块。页分配代码试图分配一个或多个物理

页的一块。页面分配是以 2的幂大小的块来进行，这意味着它可能分配 1页块、2页块、4页块

等。只要系统中有足够的空间页来满足请求 (nr_free_pages > min_free_pages)，分配代码将搜

索f r e e _ a r e e 来寻找请求大小的一个页块。例如，数组中元素 2有一个内存映射来描述系统中 4

页长的块的空闲和分配。

分配算法首先搜索请求大小的页块。它沿 f r e e _ a r e a 中l i s t 元素处排成队列的空闲页面链进

行。如果没有所请求大小的页块是空闲的，下一个大小的块 (两倍于所请求的大小 )将被查找，

这个过程一直进行到 f r e e _ a r e a整个被检查过或找到一个页块。若找到的页块比请求的大，则

它必须被分开直到得到合适大小的一块。因为块大小都是 2的幂，所以分块的过程很容易，只

需把块等分。空闲的块排到合适的队列中，被分配的块返回给调用者。

例如，图1 - 2 - 4 中如果一个2页块被请求，第一个 4页块(开始于页帧号4 ) 将被分成两个 2页

块。第一个，也就是开始于页帧号 4的将被作为分配的页返回给调用者；而第二块，开始于页

帧号6，将作为空闲的2页块排进f r e e _ a r e a 数组的元素1的队列中。

2.4.2 页回收

页块的分配可能会把内存分段，把大的空闲页块分开成小的。而页回收代码在可能的时

候把页重新组合成大的空闲页块。事实上页块大小很重要，因为它使得可以容易地把块组合

成更大的块。

当一个页块被释放时，将检查相邻的或称伙伴的同样大小的块是否空闲。如果是，它和

新释放的页块被组合在一起形成一个新的下一个大小的空闲页块。每次两个页块被组合成更

大的空闲页块时，页回收代码将试图再将该块组合成还要大的块。这样，空闲页块可以任意

大，只要内存使用允许。

例如，在图1 - 2 - 4 中，如果页帧号 1被释放，那它将和已经空闲的页帧号 0组合起来，并作

为2页空闲块排进f r e e _ a r e a 的元素1的队列中。

2.5 内存映射

当一个映像被执行时，该可执行映像的内容必须被放到进程的虚拟地址空间。对于可执

行映像链接到的共享库也是如此。可执行文件并非真正地被读到物理内存，而只是链接到进

程的虚拟内存。然后，随着运行的应用对程序部分的引用，该映像被从可执行映像读到内存。

这种将一个映像链到一个进程的虚拟地址空间的技术也被称为内存映射 (memery mapping)。

每个进程的虚拟内存都通过一个 m m _ s t r u c t数据结构表示。它包含当前正执行的映像 (如

b a s h ) 的信息以及一些指向 v m _ a r e a _ s t r u c t 数据结构的指针。每个 v m _ a r e a _ s t r u c t数据结构描述

虚拟内存区的开始和结束、进程对该内存的访问权以及对该内存的一组操作。这些操作是处

理这个虚拟内存区时 L i n u x必须使用的一组例程。例如，当进程试图访问此虚拟内存，却发现

(通过页故障)该内存并没有真正地在物理内存中时，虚拟内存操作之一将进行正确的动作。这

就是n o p a g e操作。n o p a g e操作在L i n u x请求调一个可执行映像的页进内存时使用。

当一个可执行映像被映射到进程虚拟地址空间时，一组 v m _ a r e a _ s t r n c t数据结构将被产生。

22 第一部分 Linux内核

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第2章内存管理 23

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每个v m _ a r e a _ s t r u c t数据结构表示可执行映像的一部分；是可执行代码，或是初始化的数据 (变

量)，以及未初始化数据等。 L i n u x 支持一些标准虚拟内存操作并且当 v m _ a r e a _ s t r u c t 数据结构

被创建时，相应的虚拟内存操作集将和它们关联起来。

2.6 请求调页

当一个可执行映像被内存映射到进程的虚拟内存时，它就可以开始执行。就在刚开始将

该映像装入物理内存时，它就很快会访问一个还未在物理内存中的虚拟内存区 (图1 - 2 - 5 ) 。当

进程访问一个没有有效页表项的虚拟地址时，处理器将向 L i n u x 报告页故障。页故障描述了发

生页故障的虚拟地址以及引起页故障的内存访问类型。

图1-2-5 虚拟内存区

L i n u x 必须找到表示发生页故障的内存区域的 v m _ a r e a _ s t r u c t 数据结构。因为查找

v m _ a r e a _ s t r u c t数据结构是高效处理页故障的关键，它们被一起链接到一个 AV L ( A d d s e n _ Ve b s k i i

和L a n d i s )树结构中，如果不存在发生故障的虚拟地址的v m _ a r e a _ s t r u c t数据结构，那么该进程就

访问了一个非法的虚拟地址。L i n u x将通知该进程，发送一个S I G S E G V信号，并且如果该进程没

有此信号的处理器就会被终止。

L i n u x然后检查发生的页故障的类型，与本虚拟内存区所允许的访问类型比较。如果进程

以非法方式访问内存，比如写一个只读区，它同样将会被通知发生了内存错误。

现在L i n u x 判定页故障是合法的，则必须处理。 L i n u x 必须区分在交换文件中的页和在磁

盘上其他地方并且是可执行映像的一部分的页。它通过查看故障虚拟地址的页表项来区分。

如果该页的页表项无效但不空，则页故障是当前保存在交换文件中的一页。对于 A l p h a

A X P 页表项来说，这些就是有效位没有置位但 P F N字段值又非0的页表项。这种情况下， P F N

字段包含一些信息指明该页在交换文件中哪里 (以及哪个交换文件)被保存。交换文件中的页如

何处理将在本章后面描述。

并非所有的v m _ a r e a _ s t r u c t都有一个虚拟内存操作集，即使有，有的也可能没有 n o p a g e操

理代码，否则该页必须从保存相应映像的文件系统中被读到内存。 L i n u x分配一个物理页然后

从磁盘文件中读取该页。

随着映像的读入和执行页缓存不断增长，当页不再被需要时会被移出缓存，比如说一个

映像不再被任何进程使用时。随着 L i n u x 不断使用内存，它可能开始缺少物理页，这时 L i n u x

将减少页缓存的大小。

2.8 页换出和淘汰

当物理内存变得短缺时， L i n u x 内存管理子系统必须试着释放物理页。这项任务落在内核

交换守护进程( k s w a p d ) 头上。内核交换守护进程是一种特殊类型的进程

—

一个内核线程。内

核线程是没有虚拟内存的进程，它们在核态下的物理地址空间中运行。内核交换守护进程的

命名有一点不准确，因为它并不仅是把页面交换到系统交换文件中。它的作用是确保系统中

有足够空闲页来保持内存管理系统高效运行。

内核交换守护进程 ( k s w a p d ) 在启动时由内核初始化进程启动，并等待内核交换定时器周

期性超时。每当定时器超时，交换守护进程就去看系统中空闲页的数目是否太少了。它使用

两个变量，free_pages_high 和f r e e _ p a g e s _ l o w来决定是否应释放一些页。只要系统中空闲页数

目多于f r e e _ p a g e _ h i g h，内核交换守护进程就什么也不做，它再次“睡眠”直到其定时器再次

超时。在进行这次检查时，内核交换守护进程把当前正被写出到交换文件的页也计算在内。

它保持一个这种页的计数于 n r _ a s y n c _ p a g e s 中，每当有一页排队等待被写出到交换文件时，则

递增；而当交换设备的写完成后递减。 F r e e _ p a g e s _ l o w和f r e e _ p a g e s _ h i g h在系统启动时被置值

并与系统中物理页数有关。如果系统中的空闲页数少于 f r e e _ p a g e s _ h i g h ，甚至少于

f r e e _ p a g e s _ l o w，则内核交换守护进程将试用三种方法来减少系统中使用的物理页数：

• 减少缓冲区和页缓存的大小。

• 交换出System V共享内存页。

• 换出及淘汰页。

如果系统中空闲页数低于 f r e e _ p a g e s _ l o w ，内核交换守护进程将在下次运行前试着释放 6

页，否则将试着释放 3页。上面三种方法将依次被使用直到足够的页被释放。内核交换守护进

程会记住上次它是用哪种方法来释放物理页。每当运行时它将开始试着用上次成功的方法释

放页。

当释放完足够页后，交换守护进程再次睡眠直到定时器超时。如果内核交换守护进程释

放页的原因是系统中空闲页数少于 f r e e _ p a g e s _ l o w，那么它仅睡眠通常一半的时间。一旦系统

中空闲页多于f r e e _ p a g e s _ l o w ，内核交换守护进程将在检查前睡眠长些。

2.8.1 减少缓冲区和页缓存大小

保存在页缓存和缓冲区缓存中的页是被释放到 free_area 向量中的很好的候选。页缓存 (包

含内存映射文件)，可能包含着不必要的占据系统内存的页。缓冲区缓存与此类似，它包含将

从物理设备中读出或写入的缓冲区，也可能包含不需要的缓冲区。当系统中物理页用完后，

从这些缓存中淘汰页相对要容易些，因为它不需要写物理设备 (不像把页交换出内存)。淘汰这

些页除了使对物理设备和内存映射文件的访问变慢外，没有其他太多不良作用。然而，如果

从这些缓存中进行页淘汰是公平进行的，那么所有的进程将受到相同影响。

第2章内存管理 25

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