Память Linux: Принцип работы

Таким образом, программам не нужно знать об использовании памяти друг другом или об общем объеме доступной физической памяти.

Linux использует иерархический набор структур данных и специализированные аппаратные механизмы для отслеживания соответствия между физической и виртуальной памятью. Все вместе они называются MMU.

Для повышения эффективности память управляется большими блоками или страницами, каждая из которых обычно имеет вес 4 килобайта.

В Linux, в отличие от других операционных систем, сегментация памяти на аппаратном уровне не используется.

Понятие виртуальной памяти в Linux охватывает как оперативную память, так и все SWAP-разделы.

Процесс памяти, в свою очередь, может быть как резидентным (реально используемая физическая память), так и виртуальным (общая потенциальная доступная память). Обычно rss меньше, чем vsz.

Раздел SWAP - это раздел на диске, куда помещаются редко используемые данные из резидентной памяти, а иногда и все данные (в случае нехватки физической памяти). Linux может работать как с разделами подкачки, так и с файлами подкачки, позволяя переносить данные из физической памяти в специальный файл на жестком диске. В этом файле и в разделе подкачки используется тот же формат, что и в оперативной памяти.

Подробная информация об использовании памяти процессом хранится в файле proc/<pid>/.

Виртуальная память состоит из страниц. Это наборы ячеек памяти в виртуальном пространстве, которые соответствуют реальной дисковой памяти. Большинство страниц имеют стандартный размер 4 КБ, в некоторых случаях используются страницы большего размера (огромные страницы) (2 мегабайта или 1 гигабайт). Огромные страницы используются для работы с большими данными (базами данных и т. д.).

Методы управления подсистемой памяти

Управление памятью имеет решающее значение для производительности системы в Linux,

Методы выделения памяти в Linux включают bootmem (начальный базовый аллокатор), buddy (выделение смежных страничных фреймов), vmalloc (обработка несмежных областей физической памяти) и kmemcache (выделение небольших объектов внутри страничных фреймов). Эти аллокаторы служат для различных целей, от начальной загрузки до удовлетворения различных потребностей в распределении памяти.

NUMA (Non-Uniform Memory Access) в многопроцессорных системах - еще один аспект, которым эффективно управляет Linux. Он отвечает за оптимизацию доступа к памяти на основе физической близости памяти к процессорам, что повышает производительность.

Управление пользовательской памятью

Запросы alloc_pages() и kmalloc() приводят к немедленному выделению памяти, поскольку ядро является наиболее доверенным компонентом системы.

Адресное пространство процессов

Адресное пространство процесса - это линейные адреса, к которым обращаются процессы.

Процесс получает доступ к новым областям памяти через вызовы: malloc(), calloc(), mmap(), brk(), shmget() + shmat(), posix_memalign(), mmap() на основе void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset).

Дескриптор памяти

mm_struct, дескриптор памяти, содержит всю информацию об адресном пространстве.

Область памяти

Область памяти разделена на два поля - vm_start и vm_end. Они обозначают адрес начала и первого бита после конца выделенной области.

Все области соединяются в двунаправленный список, в котором они упорядочены по возрастанию адресов.

Выделение интервала линейных адресов

Выделенные линейные адреса либо связаны с файлом (FILE), либо нет (ANON), при этом процесс, запрашивающий память, может делиться ею с другими процессами или иметь к ней частный доступ.

(MAP_SHARED или MAP_PRIVATE).

Отложенное выделение

В некоторых случаях запросы пользовательских процессов могут быть отложены до тех пор, пока память действительно не

 понадобится.