详解Linux内核内存管理架构
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2021-01-20
15:41:47
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详解详解Linux内核内存管理架构内核内存管理架构
内存管理子系统可能是linux内核中最为复杂的一个子系统，其支持的功能需求众多，如页面映射、页面分配、页面回收、页面交换、冷热页面、紧急页面、页面碎片管理、页面缓存、页面统计等，而且
对性能也有很高的要求。本文从内存管理硬件架构、地址空间划分和内存管理软件架构三个方面入手，尝试对内存管理的软硬件架构做一些宏观上的分析总结。
内存管理硬件架构内存管理硬件架构
因为内存管理是内核最为核心的一个功能，针对内存管理性能优化，除了软件优化，硬件架构也做了很多的优化设计。下图是一个目前主流处理器上的存储器层次结构设计方案。
从图中可以看出，对于读写内存，硬件设计了3条优化路径。
1）首先L1 cache支持虚拟地址寻址，保证CPU出来的虚拟地址（VA）不需要转换成物理地址（PA）就可以用来直接查找L1 cache，提高cache查找效率。当然用VA查找cache，有安全等缺陷，这需要
CPU做一些特别的设计来进行弥补，具体可以阅读《计算机体系结构：量化研究方法》了解相关细节。
2）如果L1 cache没有命中，这就需要进行地址转换，把VA转换成PA。linux的内存映射管理是通过页表来实现的，但是页表是放在内存中的，如果每次地址转换过程都需要访问一次内存，其效率是十分
低下的。这里CPU通过TLB硬件单元来加速地址转换。
3）获得PA后，在L2 cache中再查找缓存数据。L2 cache一般比L1 cache大一个数量级，其查找命中率也更高。如果命中获得数据，则可避免去访问内存，提高访问效率。
可见，为了优化内存访问效率，现代处理器引入多级cache、TLB等硬件模块（如下图是一款8核MIPS处理器硬件框图）。每个硬件模块内部还有大量的设计细节，这里不再深入，如有兴趣可以阅读《计
算机体系结构：量化研究方法》等书籍进一步了解。
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