认识达内从这里开始

Linux编程开发随着互联网的不断发展而被越来越多的程序员掌握，今天我们就通过案例分析来简单了解一下，Linux编程入门需要掌握哪些知识。

1、建立地址映射

内核需要物理内存时，很多情况是整页分配的，这在上面的mem_map中摘一个page下来就好了。比如前面说到的内核捕捉缺页异常，然后需要分配一个page以建立映射。

说到这里，会有一个疑问：内核在分配page、建立地址映射的过程中，使用的是虚拟地址还是物理地址呢?

内核代码所访问的地址都是虚拟地址，因为CPU指令接收的就是虚拟地址(地址映射对于CPU指令是透明的)。但是，建立地址映射时，内核在页表里面填写的内容却是物理地址，因为地址映射的目标就是要得到物理地址。

那么，内核怎么得到这个物理地址呢?其实，上面也提到了，mem_map中的page就是根据物理内存来建立的，每一个page就对应了一个物理页。

于是我们可以说，虚拟地址的映射是靠这里page结构来完成的，是它们给出了终的物理地址。然而，page结构显然是通过虚拟地址来管理的(前面已经说过，CPU指令接收的就是虚拟地址)。那么，page结构实现了别人的虚拟地址映射，谁又来实现page结构自己的虚拟地址映射呢?没人能够实现。

这就引出了前面提到的一个问题，内核空间的页表项是写死的。在内核初始化时，内核的地址空间就已经把地址映射写死了。page结构显然存在于内核空间，所以它的地址映射问题已经通过“写死”解决了。

由于内核空间的页表项是写死的，又引出另一个问题，NORMAL(或DMA)区域的内存可能被同时映射到内核空间和用户空间。被映射到内核空间是显然的，因为这个映射已经写死了。而这些页面也可能被映射到用户空间的，在前面提到的缺页异常的场景里面就有这样的可能。映射到用户空间的页面应该优先从HIGH区域获取，因为这些内存被内核访问起来很不方便，拿给用户空间再合适不过了。但是HIGH区域可能会耗尽，或者可能因为设备上物理内存不足导致系统里面根本就没有HIGH区域，所以，将NORMAL区域映射给用户空间是必然存在的。

但是NORMAL区域的内存被同时映射到内核空间和用户空间并没有问题，因为如果某个页面正在被内核使用，对应的page应该已经从free_area被摘下，于是缺页异常处理代码中不会再将该页映射到用户空间。反过来也一样，被映射到用户空间的page自然已经从free_area被摘下，内核不会再去使用这个页面。

2、内核空间管理

除了对内存整页的使用，有些时候，内核也需要像用户程序使用malloc一样，分配一块任意大小的空间。这个功能是由slab系统来实现的。

slab相当于为内核中常用的一些结构体对象建立了对象池，比如对应task结构的池、对应mm结构的池、等等。

而slab也维护有通用的对象池，比如"32字节大小"的对象池、"64字节大小"的对象池、等等。内核中常用的kmalloc函数(类似于用户态的malloc)就是在这些通用的对象池中实现分配的。

slab除了对象实际使用的内存空间外，还有其对应的控制结构。有两种组织方式：如果对象较大，则控制结构使用专门的页面来保存;如果对象较小，控制结构与对象空间使用相同的页面。

除了slab，linux2.6还引入了mempool(内存池)。其意图是：某些对象我们不希望它会因为内存不足而分配失败，于是我们预先分配若干个，放在mempool中存起来。正常情况下，分配对象时是不会去动mempool里面的资源的，照常通过slab去分配。当系统内存紧缺，已经无法通过slab分配内存时，才会使用mempool中的内容。

3、页面换入换出

页面换入换出又是一个很复杂的系统。内存页面被换出到磁盘，与磁盘文件被映射到内存，是很相似的两个过程(内存页被换出到磁盘的动机，就是今后还要从磁盘将其载回内存)。所以swap复用了文件子系统的一些机制。

页面换入换出是一件很费CPU和IO的事情，但是由于内存昂贵这一历史原因，我们只好拿磁盘来扩展内存。但是现在内存越来越便宜了，我们可以轻松安装数G的内存，然后将swap系统关闭。于是swap的实现实在让人难有探索的欲望，在这里就不赘述了。

4、用户空间内存管理

malloc是libc的库函数，用户程序一般通过它(或类似函数)来分配内存空间。

libc对内存的分配有两种途径：一是调整堆的大小，二是mmap一个新的虚拟内存区域(堆也是一个vma)。

在内核中，堆是一个一端固定、一端可伸缩的vma(图：左中)。可伸缩的一端通过系统调用brk来调整。libc管理着堆的空间，用户调用malloc分配内存时，libc尽量从现有的堆中去分配。如果堆空间不够，则通过brk增大堆空间。

当用户将已分配的空间free时，libc可能会通过brk减小堆空间。但是堆空间增大容易减小却难，考虑这样一种情况，用户空间连续分配了10块内存，前9块已经free。这时，未free的10块哪怕只有1字节大，libc也不能够去减小堆的大小。因为堆只有一端可伸缩，并且中间不能掏空。而10块内存就死死地占据着堆可伸缩的那一端，堆的大小没法减小，相关资源也没法归还内核。

当用户malloc一块很大的内存时，libc会通过mmap系统调用映射一个新的vma。因为对于堆的大小调整和空间管理还是比较麻烦的，重新建一个vma会更方便(上面提到的free的问题也是原因之一)。

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