內(nèi)核內(nèi)存布局

64位Linux一般使用48位來表示虛擬地址空間，43位表示物理地址， 通過命令：cat /proc/cpuinfo。

cat /proc/meminfo

ARM64架構(gòu)處理器采用48位物理尋址機制，最大可尋找256TB的物理地址空間。對于目前應(yīng)用完全足夠，不需要擴展到64位的物理尋址。虛擬地址也同樣最大支持48位尋址，所以 在處理器架構(gòu)設(shè)計上，把虛擬地址空間劃分為兩個空間，每個空間最大支持256TB，linux內(nèi)核在大多數(shù)體系結(jié)構(gòu)上都把兩個地址劃分為：用戶空間和內(nèi)核空間。

用戶空間：0x0000_0000_0000_0000至0x0000_ffff_ffff_ffff。 內(nèi)核空間：0xffff_0000_0000_0000至0xffff_ffff_ffff_ffff。

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內(nèi)存布局

• QEMU平臺，可以打印ARM64架構(gòu)linux內(nèi)核內(nèi)存分布情況。

堆管理

• 堆是進程中主要用于動態(tài)分配變量和數(shù)據(jù) 的內(nèi)存區(qū)域，堆的管理對應(yīng)程序員不是直接可見的。因為它依賴標準庫提供的各個輔助函數(shù)（其 中最重要的是malloc）來分配任意長度的內(nèi)存區(qū)。 malloc和內(nèi)核之間的經(jīng)典接口是brk系統(tǒng)調(diào)用，負責(zé)擴展/收縮堆。 堆是一個連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域，在擴展時自下至上增長。其中mm_struct結(jié)構(gòu)，包含堆在虛擬地 址空間中的起始和當前結(jié)束地址(start_brk和brk)。

sys_brk流程

• brk機制基于匿名映射實現(xiàn)，以減少內(nèi)部的開銷。在檢查過用于brk的值的新地址未超出堆的限制之后，sys_brk第一個重要的操作是將請求的地址按頁長對齊。

• brk()用于用戶進程想內(nèi)核申請空間，用于擴展用戶堆?？臻g，或者回收用戶堆?？臻g。

• malloc()為小空間申請，brk()為大空間申請。do_brk()用于增長動態(tài)分配區(qū)。do_munmap()釋放動態(tài)分配區(qū)。

do_brk()源碼分析

• 大內(nèi)核鎖BKL

• 遞歸鎖：嵌套上鎖解鎖。

• 自動釋放特性。

• 本質(zhì)上自旋鎖，不同在于自旋鎖不可以遞歸獲取鎖（會導(dǎo)致死鎖），大內(nèi)核鎖可以遞歸獲取鎖，保護整個內(nèi)核。保持鎖的時間太長，嚴重影響系統(tǒng)性能和可伸縮性，因而被淘汰。

• 【注意】

• 原子操作對整數(shù)操作，自旋鎖和信號量應(yīng)用比較廣泛。當臨界區(qū)小應(yīng)該選擇自旋鎖，反之應(yīng)該信號量。

• per-CPU計數(shù)器

• 引入目的是加速SMP系統(tǒng)上計數(shù)器操作。

• 基本原理：

• 計數(shù)器的準確值存儲在內(nèi)存中的某一個地址，準確值所在內(nèi)存位置之后是一個數(shù)組，每個數(shù)組想對應(yīng)于系統(tǒng)中的一個CPU。

• Linux系統(tǒng)尤其是針對SMP或者NUMA架構(gòu)的多CPU系統(tǒng)的時候，主要描述每個CPU私有數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)提供該機制per-cpu。

• 三種CPU模式：x86 x64 ia64

• X86表示基于X86指令安裝模式；

• x64表示64位系統(tǒng)程序；

• ia64主要用于企業(yè)級服務(wù)器，inter安騰架構(gòu)基于a64處理器架構(gòu)的服務(wù)器，64位運算能力、尋址空間，數(shù)據(jù)處理能力方面突破性提高。

• 總結(jié)

• 本文介紹了內(nèi)核的內(nèi)存布局，分布情況，堆管理，malloc與brk區(qū)別，大內(nèi)核鎖，per-CPU計數(shù)器等。