Linux 内存管理 pt.2-Toy模板网

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哈喽大家好我是咸鱼，在《Linux 内存管理 pt.1》中我们学习了什么是物理内存、虚拟内存，了解了内存映射、缺页异常等内容

那么今天我们来接着学习 Linux 内存管理中的多级页表和大页

多级页表&大页

在《Linux 内存管理 pt.1》中我们知道了内核为每个进程都维护了一张页表，这张页表用来记录进程虚拟内存与物理内存的映射关系

页表实际上存储在 MMU 当中。MMU（Memory Management Unit，内存管理单元）是CPU内部的一个硬件模块

MMU 负责将虚拟地址转换为物理地址，从而实现进程间内存地址隔离和虚拟内存的实现

Linux 内存管理 pt.2

每个进程都有一张页表，一张页表中有很多页表项（页），每个页表项大小为 4KB

也就是说，每一个内存映射关系，都需要一个 4 KB 或者 4 KB 整数倍的内存空间

小伙伴们有没有想过这样一个疑问：为什么 Linux 默认页大小是 4KB ？

这其实是一个历史遗留问题，后续咸鱼有时间的话会单独写一篇来聊聊

现在我们应该把目光放到另一个点上：一个 32 位系统会为每个进程分配 4G 的虚拟地址空间（虚拟内存），这样的话会导致一张页表里面会有特别多页（一百多万）

而且每个页为一个地址，占用 4 个字节，32 位系统中一张页表有 1048576 张页，那就是一张页表占 1048276 * 4 / 1024 = 4M

也就是说一个进程啥都不干，光是页表大小就占了 4M，如果每张页都有映射关系那也就算了，问题是绝大部分程序仅仅就使用了几张页

先不说这样会导致一个页表里面有大量的页，占用大量的空间。如果想要找到存储了对映关系的那一张页，得从头开始查找，这样会导致查询效率很慢

为了解决页表项过多这个问题，Linux 提供了两种机制，也就是多级页表和大页

我们知道，每个进程自身都会维护一个虚拟内存，而每个进程虚拟内存比物理内存要大得多，只有在使用的时候才会被分配到物理内存

多级页表就是把被分配了物理内存的虚拟内存内存分成了一块一块，将原来的映射关系改成了区块索引和区块内的偏移量

多级页表将页表分为多级，每级页表仅用于管理对应的物理内存空间，这样就可以大大减少页表中的项数以及页表大小，从而减轻系统负担

多级页表通常由多个页目录和多个页表组成，每个页表存储了该页的物理地址、读写权限等信息；而页目录项则存储了指向该页表的地址

Linux 采用四级页表来管理内存页，如下图所示

Linux 内存管理 pt.2

多级页表和一级页表的区别

在Linux中，多级页表和一级页表的最大区别在于多级页表只存储有映射关系（即被分配了物理内存）的页，而一级页表存储了所有页表项

用一级页表的话，整个页表都得存放在内存当中，而使用多级页表的话，只有被分配了物理内存的页会存在内存中

举个例子，一级页表就相当于一本厚厚的字典，我们在一级页表中查找存储了映射关系的页就相当于在这本字典中从开始位置查找而多级页表相当于把这本厚厚的字典拆成了多本字典，如果要查东西，直接去对应的小字典上查找即可，减少了大字典中要从开始处查找的不必要时间，提高了效率

比普通页更大的内存块，常见的大小有 2MB 和 1GB

大页通常用在使用大量内存的进程上，比如 Oracle、DPDK 等

通过上面这些机制，在页表的映射下进程就可以通过虚拟内存来访问物理内存了，那么进程是如何使用被分配了物理内存的虚拟内存呢

我们来看下虚拟内存中的用户空间内存

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上图所示，用户空间内存被分割成了五个不同的内存段：

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