多級頁表&大頁

在《Linux 記憶體管理 pt.1》中我們知道了內核為每個行程都維護了一張頁表，這張頁表用來記錄行程虛擬記憶體與物理記憶體的映射關系

頁表實際上存盤在 MMU 當中，MMU（Memory Management Unit，記憶體管理單元）是CPU內部的一個硬體模塊

MMU 負責將虛擬地址轉換為物理地址，從而實作行程間記憶體地址隔離和虛擬記憶體的實作

每個行程都有一張頁表，一張頁表中有很多頁表項（頁），每個頁表項大小為 4KB

也就是說，每一個記憶體映射關系，都需要一個 4 KB 或者 4 KB 整數倍的記憶體空間

小伙伴們有沒有想過這樣一個疑問：為什么 Linux 默認頁大小是 4KB ？

這其實是一個歷史遺留問題，后續咸魚有時間的話會單獨寫一篇來聊聊

現在我們應該把目光放到另一個點上：一個 32 位系統會為每個行程分配 4G 的虛擬地址空間（虛擬記憶體），這樣的話會導致一張頁表里面會有特別多頁（一百多萬）

而且每個頁為一個地址，占用 4 個位元組，32 位系統中一張頁表有 1048576 張頁，那就是一張頁表占 1048276 * 4 / 1024 = 4M

也就是說一個行程啥都不干，光是頁表大小就占了 4M，如果每張頁都有映射關系那也就算了，問題是絕大部分程式僅僅就使用了幾張頁

先不說這樣會導致一個頁表里面有大量的頁，占用大量的空間，如果想要找到存盤了對映關系的那一張頁，得從頭開始查找，這樣會導致查詢效率很慢

為了解決頁表項過多這個問題，Linux 提供了兩種機制，也就是多級頁表和大頁

多級頁表

我們知道，每個行程自身都會維護一個虛擬記憶體，而每個行程虛擬記憶體比物理記憶體要大得多，只有在使用的時候才會被分配到物理記憶體

多級頁表就是把被分配了物理記憶體的虛擬記憶體記憶體分成了一塊一塊，將原來的映射關系改成了區塊索引和區塊內的偏移量

多級頁表將頁表分為多級，每級頁表僅用于管理對應的物理記憶體空間，這樣就可以大大減少頁表中的項數以及頁表大小，從而減輕系統負擔

多級頁表通常由多個頁目錄和多個頁表組成，每個頁表存盤了該頁的物理地址、讀寫權限等資訊；而頁目錄項則存盤了指向該頁表的地址

Linux 采用四級頁表來管理記憶體頁，如下圖所示

多級頁表和一級頁表的區別

在Linux中，多級頁表和一級頁表的最大區別在于多級頁表只存盤有映射關系（即被分配了物理記憶體）的頁，而一級頁表存盤了所有頁表項

用一級頁表的話，整個頁表都得存放在記憶體當中，而使用多級頁表的話，只有被分配了物理記憶體的頁會存在記憶體中

舉個例子，一級頁表就相當于一本厚厚的字典，我們在一級頁表中查找存盤了映射關系的頁就相當于在這本字典中從開始位置查找而多級頁表相當于把這本厚厚的字典拆成了多本字典，如果要查東西，直接去對應的小字典上查找即可，減少了大字典中要從開始處查找的不必要時間，提高了效率

比普通頁更大的記憶體塊，常見的大小有 2MB 和 1GB

大頁通常用在使用大量記憶體的行程上，比如 Oracle、DPDK 等

通過上面這些機制，在頁表的映射下行程就可以通過虛擬記憶體來訪問物理記憶體了，那么行程是如何使用被分配了物理記憶體的虛擬記憶體呢

我們來看下虛擬記憶體中的用戶空間記憶體

上圖所示，用戶空間記憶體被分割成了五個不同的記憶體段：

感謝閱讀，喜歡作者就動動小手[一鍵三連]，這是我寫作最大的動力

轉載請註明出處，本文鏈接：https://www.uj5u.com/caozuo/551686.html

標籤：Linux