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 1：linux是如何管理內(nèi)存換入換出的?

內(nèi)存swap的機(jī)制不再介紹，其實(shí)從問(wèn)題來(lái)看，是想知道，內(nèi)存頁(yè)是怎么與換出到磁盤(pán)上的內(nèi)容一一對(duì)應(yīng)的。答案是通過(guò)頁(yè)表。拿32位系統(tǒng)舉例子：

處理器通過(guò)頁(yè)表來(lái)把一個(gè)虛擬地址轉(zhuǎn)化為實(shí)際的物理內(nèi)存地址。每個(gè)進(jìn)程有屬于它自己的一組頁(yè)表;無(wú)論何時(shí)發(fā)生了進(jìn)程切換，相應(yīng)的會(huì)發(fā)生用戶(hù)空間的頁(yè)表切換。mm_struct中有一個(gè)pdg域，就指向該進(jìn)程所使用的頁(yè)表集。對(duì)每一個(gè)虛擬頁(yè)在頁(yè)表中都有對(duì)應(yīng)的一個(gè)頁(yè)表項(xiàng)(PTE)，通常x86下的一頁(yè)是一個(gè)4字節(jié)的如下記錄(pgd和pte的結(jié)構(gòu)類(lèi)似，12-31位是page base描述，0-11位是屬性描述，不過(guò)pgd中的pagebase 指向的pte所在頁(yè)面的起始地址，而pte的page base指向的物理頁(yè)面的起始地址。假設(shè)下面是一條pte對(duì)頁(yè)的描述記錄)：

注意第0位P位，P位告訴處理器該虛擬頁(yè)目前是否在物理內(nèi)存，P位為1，表示該頁(yè)在內(nèi)存中。P位為0頁(yè)表示不在內(nèi)存，頁(yè)不在內(nèi)存也分下面兩種情況：

A:從1位至31位為空：該頁(yè)不在進(jìn)程的地址空間，需在請(qǐng)求調(diào)頁(yè)

B：1位至31位至少有一位被至位：說(shuō)明該頁(yè)被換出到磁盤(pán)。

針對(duì)B情況作說(shuō)明：如果有一位被至位，而PTE的關(guān)于該頁(yè)的條目被以如下方式解讀：

既，1-7被解讀成一個(gè)交換區(qū)的區(qū)號(hào)，而8-31位被解讀成頁(yè)槽索引(page-slot,在swap區(qū)中一個(gè)大小為4k的頁(yè)被稱(chēng)為page–slot，也許是為了區(qū)別與物理頁(yè)的page -frame)，這樣該頁(yè)就指向了swap區(qū)的一個(gè)4k的空間。

我們?cè)賮?lái)看swap區(qū)，每個(gè)活動(dòng)的swap區(qū)在內(nèi)存中有一個(gè)swap區(qū)描述符，系統(tǒng)所有的交換區(qū)組成一個(gè)鏈表，交換區(qū)結(jié)構(gòu)為swap_info_struct,該結(jié)構(gòu)中有個(gè)重要字段 ：struct block_device * bdev ，存放交換區(qū)的塊設(shè)備的描述符，就是你格式分成swap的設(shè)備/分區(qū)。

***來(lái)看磁盤(pán)上的swap區(qū)是什么組織的：

每個(gè)交換區(qū)由一組pageslot組成(一般這些頁(yè)槽在磁盤(pán)上連續(xù)存放)，就是說(shuō)由一組4k大小的塊組成，每塊包含一個(gè)換出的頁(yè)，。交換區(qū)的***個(gè)page slot(0號(hào)頁(yè)槽)用來(lái)***存放交換區(qū)的管理信息，可用來(lái)存放換出頁(yè)的***個(gè)頁(yè)槽為1號(hào)頁(yè)槽(頁(yè)槽索引為1)。所以上面描述換出頁(yè)的頁(yè)表?xiàng)l目時(shí)說(shuō)“1位至31位至少有一位被至位”，因?yàn)?號(hào)頁(yè)槽不能存換出頁(yè)。

到這里，不知道大家對(duì)swap頁(yè)的標(biāo)記有沒(méi)有一個(gè)大體的概念?

2:內(nèi)核讀入一個(gè)文件時(shí)，內(nèi)核是在哪里記錄內(nèi)存頁(yè)和磁盤(pán)塊的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以便將來(lái)把臟數(shù)據(jù)flush回磁盤(pán)?具體來(lái)說(shuō)，是在哪些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)里記錄這些信息的?

先來(lái)看文件在磁盤(pán)和內(nèi)存中的存放方式(ext3舉例)：

磁盤(pán)：文件由inode以及inode指向的具體數(shù)據(jù)塊組成，來(lái)看看磁盤(pán)的Inode結(jié)構(gòu)的描述(source/fs/ext4/ext3.h 下面為3.14內(nèi)核的中的，source是指內(nèi)核代碼根目錄，下同。內(nèi)核版本不同，行號(hào)可能不同):

第281行有一個(gè)“__le32 i_block[EXT3_N_BLOCKS];”

最前面的le 全稱(chēng)為 little-endian,表示排序方式：低階字節(jié)在高位位置與其對(duì)應(yīng)的是be :big-endian。 如代碼注釋這個(gè)數(shù)據(jù)指向了具體存放文件數(shù)據(jù)的塊(這里我們不講間接塊)。到此，估計(jì)已經(jīng)了解了文件在磁盤(pán)上的存放的管理。

下面來(lái)說(shuō)說(shuō)文件在內(nèi)存中的存放，文件在內(nèi)存中存放由VSF層管理，VFS層在打開(kāi)文件時(shí)在內(nèi)存中依據(jù)磁盤(pán)的 ext3_inode而建立VFS的inode結(jié)構(gòu)，VFS的inode與磁盤(pán)inode是一一對(duì)應(yīng)的，下面摘出該結(jié)構(gòu)的一些內(nèi)(同前面的內(nèi)核版本，文件在source/include/linux/fs.h)：

是不是發(fā)現(xiàn)和磁盤(pán)上的inode結(jié)構(gòu)存在相似的地方，但又多了一些內(nèi)容? 這里與文件映射關(guān)系最為密切的是 594行的 struct address_spaces i_data ,該結(jié)構(gòu)內(nèi)容如下：

(同前面的內(nèi)核版本，文件在source/include/linux/fs.h)：

需要關(guān)注的是414行的 radix_tree_root 結(jié)構(gòu)，描述如下(source/include/linux/radix-tree.h)：

Height描述樹(shù)的高/深度，*rnode指向了其子樹(shù)，根樹(shù)與子樹(shù)的關(guān)系：

圖中也描述了子樹(shù)的結(jié)構(gòu)的重要部分slots，slots指針數(shù)組指向了具體物理頁(yè)的頁(yè)描述符，如果基樹(shù)樹(shù)高為1，則slots可以指向[RADIX_TESS_MAP_SIZE]個(gè)頁(yè)面，如下面的結(jié)構(gòu)描述：(source/include/linux/radix-tree.h)：

***再來(lái)看看物理頁(yè)描述符的結(jié)構(gòu)(source/include/linux/mm_types.h，內(nèi)容和注釋太多，貼出來(lái)行號(hào)會(huì)亂掉，我只截了部分內(nèi)容，且去掉了行號(hào))：

其中兩個(gè)字段 mapping 和index, 如果該頁(yè)被用于文件映射，則mapping用于指向文件inode的address_space結(jié)構(gòu)，而index(頁(yè)索引)呢?index是與文件inode->address_space->radix_tree_root->radix_tree_node->slots[]相關(guān)的，我直接載圖好了:(且下面載圖中***說(shuō)的圖15-1就是前面已貼出的 根樹(shù)與子樹(shù)的關(guān)系圖):

總結(jié)起來(lái)就是：VFS從磁盤(pán)讀取inode，并在內(nèi)存立對(duì)應(yīng)的vfs的inode，vfs層inode中address_space中radix_tree_root中radix_tree_node中slots指向了內(nèi)存中存放文件的物理頁(yè)描述符(找到頁(yè)描述符就能找到頁(yè)面)。而頁(yè)描述符中的mapping指向了 inode的address_space, 同時(shí)，頁(yè)描述符中index指定了頁(yè)在slots中的具體位置 。