linux0.11内存管理（1）

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1、物理内存布局

假设物理内存的大小为16MB，内存虚拟盘的大小为2MB。内存布局在函数main()中初始化。

物理页的用途：
- 系统使用（前6MB）
  1. 保存内核镜像（内核代码&数据）
  2. 磁碟数据缓冲区
  3. 作为内存虚拟盘
  这三类物理页的用途固定，即低6MB内存不做内存分配（即，mem_map中相应的位初始化为100、或不被mem_map管理）。
- 进程使用（后10MB）
  1. 保存进程的管理结构（进程描述符、进程页表）
  2. 进程线性地址空间映射的物理页（代码段&数据段&栈&堆&参数）
  （引用于《Linux内核完全剖析基于0.12内核》）
  
  第2种情况中的物理页是linux0.11内存管理的对象。

2、物理内存管理数据结构

linux0.11内存管理相关的数据结构只有一个：mem_map[15*256]。

mem_map[15*256]：在mem_init()中初始化。
- linux0.11将16MB内存划分为4KB大小的物理页进行管理，共4＊1024个物理页。
- mem_map数组只管理1MB以上的物理页，即只管理高15MB，且数组的每一项对应一页。所以一共(15*1024*1024)/(4*1024)=3840项。
- mem_map数组用于标记物理页是否空闲或被占用。
  - 初始化时，将6MB～16MB范围内的物理页对应的数组项清0（空闲）；
  - 将1MB～6MB范围内的物理页对应的数组项设置为100（被占用）。
  - 若物理页被申请，则赋值为1；若被共享，则加1。
1MB～6MB内存用于buffer和ramdisk，只能被内核访问，因此数组mem_map的项数可以只包含6MB～16MB内存，即(10*1024*1024)/(4*1024)=2560项。

3、申请和释放物理内存

申请和释放的最小单位是4KB。

申请：
- get_free_page()：返回物理页的物理起始地址。
释放：
- free_page(addr)：参数addr是要释放的物理页的物理起始地址。

4、使用物理页：

这里指的物理页是被映射到进程线性地址空间的物理页（高10MB）。

物理页使用的条件
- 进程不能直接使用物理页，只有将线性页映射到物理页后，进程在访问线性页时，最终访问到物理页。
- 线性地址空间就像OS给进程开的一张空头支票，进程可以将代码段、数据段、栈段、堆段、运行参数「载入」到相应的地方。
- 在创建进程时，OS没有为进程线性地址空间中的线性页映射物理页（除了进程运行参数），即OS没有将进程运行的程序载入到内存。根据父、子进程运行的程序是否相同，分为两种情况：
  - 相同，则将父进程的页表项的值复制给子进程对应的页表项，即父子进程共享物理页。copy_page_tables
  - 不同，将子进程的页目录表项清0，并释放所有的页表，即不为子进程分配物理页。
- OS实现空头支票的方法是，将线性地址空间中的线性页映射到具体的物理页。（通过缺页中断实现do_no_page）
  - 例子：cpu读指令是从进程的代码段所在的线性页中「读取」，若线性页已经被映射到了物理页，则通过地址转换从物理页中获取指令；若未映射，则OS会将指令从磁碟载入到物理页后（一次载入4KB），将代码所在的线性页映射到该物理页，然后再次访问线性页。
- 物理页本身无属性，物理页的属性是由被映射到的线性页的属性决定的。（属性：可写，用户态可访问、、、）
建立和销毁映射：
- 建立映射：（两种情况）
  - 建立多页：copy_page_tables(from, to, size)
    - 函数copy_page_tables仅仅在创建进程时被调用。
    - 将父进程的线性页和物理页的映射关系，拷贝给子进程。即，父子进程共享物理页。
  - 建立一页：put_page(page, address)，将线性页（address）映射到物理页（page）。
- 销毁映射：free_page_tables(from, size)
  - 将进程所有页（目录）表项的内容赋值为0；
  - 调用函数free_page，释放占用的物理页（包括页表）。
  - 在两个地方用到该函数：
    - 终止进程时；
    - 子进程另起炉灶时。

5、节省内存的方法

物理页的使用者是进程，分配者是OS，OS对有限的物理内存的分配使用相当苛刻。linux0.11节省内存的方法有两个：

（1）按需分配内存

如前面所说，OS仅仅给进程开了一个空头支票（OS可以给每个进程提供64MB的物理内存），只在进程需要物理页的时候，为其分配物理页。这个过程是由缺页中断实现的。do_no_page

为线性页申请一页物理页，初始化物理页后，将线性页映射到物理页。put_page

在linux0.11中，当内存使用完后，若申请物理页时，会终止掉当前进程。

（2）内存共享

内存共享的地方：
- fork进程时，调用copy_page_tables，父、子进程共享物理页。
- 产生缺页中断时，首先看是否有能共享的物理页。（在do_no_page中调用share_page）
  - 进程A共享进程B使用的物理页的条件：
    - A和B有且运行相同的程序。share_page(address)
    - 共享的只有代码段和数据段中的内容。do_no_page（share_page仅仅被do_no_page调用）
    - B中物理页存在，且未被修改。try_to_share
OS将共享物理页的两个进程中对应的线性页设置为只读，将共享物理页的引用次数加1。
进程可以对共享物理页进行读操作，但是若其中一个进程写共享物理页时，产生一个防写中断。un_wp_page
- 若线性页映射的物理页此时未被共享（物理页的引用次数为1，即mem_map中对应项的值为1），则直接将该线性页设置为可写。
- 若被共享，则为当前进程的线性页申请一页物理页（将共享页的内容拷贝到该物理页），将该线性页设置为可写，将共享物理页的引用次数减1。
这儿好像潜藏著一次无谓的防写中断。