Книга: Разработка ядра Linux

Страницы памяти

Страницы памяти

Ядро рассматривает страницы физической памяти как основные единицы управления памятью. Хотя наименьшая единица памяти, которую может адресовать процессор, — это машинное слово, модуль управления памятью (MMU, Memory Management Unit) — аппаратное устройство, которое управляет памятью и отвечает за трансляцию виртуальных адресов в физические  — обычно работает со страницами. Поэтому модуль MMU управляет таблицами страниц на уровне страничной детализации (отсюда и название). С точки зрения виртуальной памяти, страница — это наименьшая значащая единица.

Как будет показано в главе 19, "Переносимость", каждая аппаратная платформа поддерживает свой характерный размер страницы. Многие аппаратные платформы поддерживают даже несколько разных размеров страниц. Большинство 32-разрядных платформ имеют размер страницы, равный 4 Кбайт, а большинство 64-разрядных платформ — 8 Кбайт. Это значит, что на машине, размер страницы которой равен 4 Кбайт, при объеме физической памяти, равном 1 Гбайт, эта физическая память разбивается на 262 144 страницы.

Ядро сопоставляет каждой странице физической памяти в системе структуру struct page. Эта структура определена в файле <linux/mm.h> следующим образом.

struct page {
 page_flags_t         flags;
 atomic_t             _count;
 atomic_t             _mapcount;
 unsigned long        private;
 struct address_space *mapping;
 pgoff_t              index;
 struct list_head     lru;
 void                 *virtual;
};

Рассмотрим самые важные поля этой структуры. Поле flags содержит состояние страницы. Это поле включает следующую информацию: является ли страница измененной (dirty) или заблокированной (locked) в памяти. Значение каждого флага представлено одним битом, поэтому всего может быть до 32 разных флагов. Значения флагов определены в файле <linux/page-flags.h>.

Поле _count содержит счетчик использования страницы — т.е. сколько на эту страницу имеется ссылок. Когда это значение равно нулю, это значит, что никто не использует страницу, и она становится доступной для использования при новом выделении памяти. Код ядра не должен явно проверять значение этого поля, вместо этого необходимо использовать функцию page_count(), которая принимает указатель на структуру page в качестве единственного параметра. Хотя в случае незанятой страницы памяти значение счетчика _count может быть отрицательным (во внутреннем представлении), функция page_count() возвращает значение нуль для незанятой страницы памяти и положительное значение — для страницы, которая в данный момент используется. Страница может использоваться страничным кэшем (в таком случае поле mapping указывает на объект типа address_space, который связан с данной страницей памяти), может использоваться в качестве частных данных (на которые в таком случае указывает поле private) или отображаться в таблицу страниц процесса.

Поле virtual — это виртуальный адрес страницы. Обычно это просто адрес данной страницы в виртуальной памяти ядра. Некоторая часть памяти (называемая областью верхней памяти, high memory) не отображается в адресное пространство ядра (т.е. не входит в него постоянно). В этом случае значение данного поля равно NULL и страница при необходимости должна отображаться динамически. Верхняя память будет рассмотрена в одном из следующих разделов.

Наиболее важный момент, который необходимо понять, это то, что структура page связана со страницами физической, а не виртуальной памяти. Поэтому то, чему соответствует экземпляр этой структуры, в лучшем случае, очень быстро изменяется. Даже если данные, которые содержались в физической странице, продолжают существовать, то это не значит, что эти данные будут всегда соответствовать одной и той же физической странице памяти и соответственно одной и той же структуре page, например из-за вытеснения страниц (swapping) или по другим причинам. Ядро использует эту структуру данных для описания всего того, что содержится в данный момент в странице физической памяти, соответствующей данной структуре. Назначение этой структуры— описывать область физической памяти, а не данных, которые в ней содержатся.

Ядро использует рассматриваемую структуру данных для отслеживания всех страниц физической памяти в системе, так как ядру необходима информация о том, свободна ли страница (т.е. соответствующая область физической памяти никому не выделена). Если страница не свободна, то ядро должно иметь информацию о том, чему принадлежит эта страница. Возможные обладатели: процесс пространства пользователя, данные в динамически выделенной памяти в пространстве ядра, статический код ядра, страничный кэш (page cache) и т.д.

Разработчики часто удивляются, что для каждой физической страницы в системе создается экземпляр данной структуры. Они думают: "Как много для этого используется памяти!" Давайте посмотрим, насколько плохо (или хорошо) расходуется адресное пространство для хранения информации о страницах памяти. Размер структуры struct page равен 40 байт. Допустим, что система имеет страницы размером 1 Кбайт, а объем физической памяти равен 128 Мбайт. Тогда все структуры раде в системе займут немного больше 1 Мбайт памяти — не очень большая плата за возможность управления всеми страницами физической памяти.

Оглавление книги