嵌入式Linux之虚拟内存管理

概述

Linux系统中，每一个用户态进程独立地运行在自己的虚拟地址空间中。通常，对于32位系统，进程虚拟内存地址范围是0~2³²-1；对于64位系统，进程虚拟地址范围是0~2⁶⁴-1。

Linux虚拟内存遵循以下三个原则：

1）资源虚拟化，即用户态进程本身不用关心实际物理内存的占用情况、分配情况以及进程本身占用的物理内存地址范围；

2）进程隔离化，即用户态进程不能读取其他进程的虚拟地址空间；（共享内存？）

3）错误隔离化，用户态进程不能改写其他进程的虚拟地址空间，单个进程崩溃不会影响其他进程的运行，也不会导致系统崩溃；

Linux虚拟内存分配机制

1）虚拟内存地址和物理内存地址转换

Linux内存分配一般是以页（页大小通常为4KB）为单位，物理内存初始化时通过MMU进行页表划分，每个物理页均有一个唯一标识的页号。Linux用户态进程调用malloc()等函数申请内存时，会产生缺页中断，然后由Linux内核负责分配物理内存页给该进程。

Linux进程内存地址空间同样是按连续页进行划分的，因此在物理内存和虚拟内存之间，就存在一种映射关系。TLB(Translation Lookaside Buffer)就是负责加速转化物理内存和虚拟内存映射关系的硬件结构体。

Linux默认不使用超级页（每一个超级页由若干个子页组成，内存分配以子页为单位），因此，一般情况下，物理页和虚拟页大小相同。

有三种情况会产生Memory Hole（虚拟内存无法映射到这部分内存），即Reserved Memory、Memory-mapped I/O Devices以及未分配的内存（物理页表没有包含的内存）。

Linux内核负责通过操作MMU来建立和维护页表，MMU是用来进行虚拟内存地址和物理内存地址转换的单元。

2）按需分配

进程程序加载的时候，不会加载所有的代码段和数据段，但是会首先分配好虚拟内存页，当访问到虚拟内存页时，产生页错误，然后由内核处理，将代码段和数据段加载到物理页，并映射到虚拟页；同样，进程内存分配时，首先分配好虚拟内存页，只有当访问到虚拟内存页时，产生缺页中断，才会真正地分配物理内存页。

3）页分配和页交换

当物理内存分配完了，而进程还在申请新的内存页时，Linux内核会选择一个被占用的但是长期没有使用的（长时间没有读写）的物理内存页，将它的内存写入到swap space，然后将这个物理内存页映射到新的虚拟内存页，从而满足进程的需求。

页替换策略（replacement policy）决定哪一个物理页被替换，内容被写入交换分区。LRU策略(least recently used policy)是一个选项，但是它需要频繁地访问LRU list数据结构才能知道哪一个页最长时间没有被使用，从实用性的角度，Linux通常使用clock replacement或者not frequently used(NFU)策略。

缩略词：

VPN - Virtual Page Number

PFN - (Physical) Page Frame Number