操作系統(tǒng)就用一張大表管理內(nèi)存？
今天我們不聊具體內(nèi)存管理的算法，我們就來看看，操作系統(tǒng)用什么樣的一張表，達(dá)到了管理內(nèi)存的效果。
我們以 Linux 0.11 源碼為例，發(fā)現(xiàn)進(jìn)入內(nèi)核的 main 函數(shù)后不久，有這樣一坨代碼。
void?main(void)?{
????...
????memory_end?=?(1<<20)?+?(EXT_MEM_K<<10);
????memory_end?&=?0xfffff000;
????if?(memory_end?>?16*1024*1024)
????????memory_end?=?16*1024*1024;
????if?(memory_end?>?12*1024*1024)?
????????buffer_memory_end?=?4*1024*1024;
????else?if?(memory_end?>?6*1024*1024)
????????buffer_memory_end?=?2*1024*1024;
????else
????????buffer_memory_end?=?1*1024*1024;
????main_memory_start?=?buffer_memory_end;
????mem_init(main_memory_start,memory_end);
????...
}
除了最后一行外，前面的那一大坨的作用很簡單。
其實就只是針對不同的內(nèi)存大小，設(shè)置不同的邊界值罷了，為了理解它，我們完全沒必要考慮這么周全，就假設(shè)總內(nèi)存一共就?8M?大小吧。
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那么如果內(nèi)存為 8M 大小，memory_end?就是
8 * 1024 * 1024
也就只會走倒數(shù)第二個分支，那么?buffer_memory_end?就為
2 * 1024 * 1024
那么?main_memory_start?也為
2 * 1024 * 1024
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你仔細(xì)看看代碼邏輯，看是不是這樣？
當(dāng)然，你不愿意細(xì)想也沒關(guān)系，上述代碼執(zhí)行后，就是如下效果而已。
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你看，其實就是定了三個箭頭所指向的地址的三個邊界變量。具體主內(nèi)存區(qū)是如何管理和分配的，要看 mem_init 里做了什么。
void?main(void)?{
????...
????mem_init(main_memory_start,?memory_end);
????...
}
而緩沖區(qū)是如何管理和分配的，就要看再后面的 buffer_init 里干了什么。
void?main(void)?{
????...
????buffer_init(buffer_memory_end);
????...
}
不過我們今天只看，主內(nèi)存是如何管理的，很簡單，放輕松。
進(jìn)入 mem_init 函數(shù)。
#define?LOW_MEM?0x100000
#define?PAGING_MEMORY?(15*1024*1024)
#define?PAGING_PAGES?(PAGING_MEMORY>>12)
#define?MAP_NR(addr)?(((addr)-LOW_MEM)>>12)
#define?USED?100
static?long?HIGH_MEMORY?=?0;
static?unsigned?char?mem_map[PAGING_PAGES]?=?{?0,?};
//?start_mem?=?2?*?1024?*?1024
//?end_mem?=?8?*?1024?*?1024
void?mem_init(long?start_mem,?long?end_mem)
{
????int?i;
????HIGH_MEMORY?=?end_mem;
????for?(i=0?;?i????????mem_map[i]?=?USED;
????i?=?MAP_NR(start_mem);
????end_mem?-=?start_mem;
????end_mem?>>=?12;
????while?(end_mem-->0)
????????mem_map[i++]=0;
}
發(fā)現(xiàn)也沒幾行，而且并沒有更深的方法調(diào)用，看來是個好欺負(fù)的方法。
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仔細(xì)一看這個方法，其實折騰來折騰去，就是給一個 mem_map 數(shù)組的各個位置上賦了值，而且顯示全部賦值為 USED 也就是 100，然后對其中一部分又賦值為了 0。
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賦值為 100 的部分就是 USED，也就表示內(nèi)存被占用，如果再具體說是占用了 100 次，這個之后再說。剩下賦值為 0 的部分就表示未被使用，也即使用次數(shù)為零。
是不是很簡單？就是準(zhǔn)備了一個表，記錄了哪些內(nèi)存被占用了，哪些內(nèi)存沒被占用。這就是所謂的“管理”，并沒有那么神乎其神。
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那接下來自然有兩個問題，每個元素表示占用和未占用，這個表示的范圍是多大？初始化時哪些地方是占用的，哪些地方又是未占用的？
還是一張圖就看明白了，我們?nèi)匀患僭O(shè)內(nèi)存總共只有 8M。
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可以看出，初始化完成后，其實就是 mem_map 這個數(shù)組的每個元素都代表一個 4K 內(nèi)存是否空閑（準(zhǔn)確說是使用次數(shù)）。
4K 內(nèi)存通常叫做 1 頁內(nèi)存，而這種管理方式叫分頁管理，就是把內(nèi)存分成一頁一頁（4K）的單位去管理。
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1M 以下的內(nèi)存這個數(shù)組干脆沒有記錄，這里的內(nèi)存是無需管理的，或者換個說法是無權(quán)管理的，也就是沒有權(quán)利申請和釋放，因為這個區(qū)域是內(nèi)核代碼所在的地方，不能被“污染”。
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1M 到 2M 這個區(qū)間是緩沖區(qū)，2M 是緩沖區(qū)的末端，緩沖區(qū)的開始在哪里之后再說，這些地方不是主內(nèi)存區(qū)域，因此直接標(biāo)記為 USED，產(chǎn)生的效果就是無法再被分配了。
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2M 以上的空間是主內(nèi)存區(qū)域，而主內(nèi)存目前沒有任何程序申請，所以初始化時統(tǒng)統(tǒng)都是零，未來等著應(yīng)用程序去申請和釋放這里的內(nèi)存資源。
那應(yīng)用程序如何申請內(nèi)存呢？我們本講不展開，不過我們簡單展望一下，看看申請內(nèi)存的過程中，是如何使用 mem_map 這個結(jié)構(gòu)的。
在 memory.c 文件中有個函數(shù) get_free_page()，用于在主內(nèi)存區(qū)中申請一頁空閑內(nèi)存頁，并返回物理內(nèi)存頁的起始地址。
比如我們在 fork 子進(jìn)程的時候，會調(diào)用 copy_process 函數(shù)來復(fù)制進(jìn)程的結(jié)構(gòu)信息，其中有一個步驟就是要申請一頁內(nèi)存，用于存放進(jìn)程結(jié)構(gòu)信息 task_struct。
int?copy_process(...)?{
????struct?task_struct?*p;
????...
????p?=?(struct?task_struct?*)?get_free_page();
????...
}
我們看 get_free_page 的具體實現(xiàn)，是內(nèi)聯(lián)匯編代碼，看不懂不要緊，注意它里面就有 mem_map?結(jié)構(gòu)的使用。
unsigned?long?get_free_page(void)?{
????register?unsigned?long?__res?asm("ax");
????__asm__(
????????"std?;?repne?;?scasb\n\t"
????????"jne?1f\n\t"
????????"movb?$1,1(%%edi)\n\t"
????????"sall?$12,%%ecx\n\t"
????????"addl?%2,%%ecx\n\t"
????????"movl?%%ecx,%%edx\n\t"
????????"movl?$1024,%%ecx\n\t"
????????"leal?4092(%%edx),%%edi\n\t"
????????"rep?;?stosl\n\t"
????????"movl?%%edx,%%eax\n"
????????"1:"
????????:"=a"?(__res)
????????:"0"?(0),"i"?(LOW_MEM),"c"?(PAGING_PAGES),
????????"D"?(mem_map?+?PAGING_PAGES-1)
????????:"di","cx","dx");
????return?__res;
}就是選擇 mem_map 中首個空閑頁面，并標(biāo)記為已使用。
好了，本講就這么多，只是填寫了一張大表而已，簡單吧？之后的內(nèi)存申請與釋放等騷操作，統(tǒng)統(tǒng)是跟著張大表 mem_map 打交道而已，你一定要記住它哦。
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