操作系统的内存管理你知道吗

内存管理，是操作系统的主要功能。

操作系统从启动一直到创建0号进程（idle进程），运行的大部分代码都跟内存有关。

操作系统的内存管理，大概分这么几个层次：

1.物理内存管理

物理内存是电脑上的真实内存大小，这个数据可以通过BIOS获取。

在分页之后，物理内存的管理结构是个数组，每项表示1个物理内存页，每页4096字节。

如下图：

物理内存的管理结构

在一个简单的内核demo里，物理内存页的管理结构可以只有一项：

atomic_t refs;

即，物理内存页的引用计数：计数为0表示空闲，> 0表示正在使用，具体数字表示共享这一页的进程个数。

简单的内核demo一般是不支持SMP架构的，所以自旋锁（spinlock）也就省了。

在对称多处理器（SMP）的CPU上，因为全局数据结构会被多个CPU并发访问，所以要加自旋锁。

那么，物理内存页的管理结构至少有2项：

atomic_t spinlock;
atomic_t refs;

自旋锁的作用，与应用程序里的锁（mutex）差不多，只是它在获取失败之后会不断地再次获取，直到成功。

void spin_lock(atomic_t* lock)
{
while (spin_trylock(lock) == 0);
}

这就是给自旋锁加锁的函数，while循环直到成功，不成功时就自旋在那里一直转圈，所以叫自旋锁。

它在（对称多处理器）SMP环境里用于保护共享的数据结构：当一个CPU持有自旋锁时，另一个CPU没法访问共享数据。

如果是单个CPU的环境，没必要用自旋锁，直接关闭中断就行了。

单个CPU的情况下，关了中断就可以阻止内核的并发，共享数据也就不会被踩踏了。

但多个CPU必须使用自旋锁，因为关中断只能关闭当前CPU的，没法关其他CPU的：这时需要自旋锁保护共享数据。

物理内存的管理数组，是最重要的全局共享数据。

当需要给一个进程申请内存的时候，哪个内存页是空闲的，哪个已经被使用了，全靠查看这个数组。

加自旋锁的时候一定要先关中断，因为如果在加了锁之后、关中断之前、正好有个中断来了，而在中断处理函数里再次请求加同一个锁，那就会递归死锁了。

Linux内核的关中断加锁的函数叫：spin_lock_irqsave().

Linux内核的分配物理内存页的函数叫：get_free_pages()，它可以分配1页或连续的多页内存。

如果分配多页内存的话，起始地址是要按页数对齐的。

2.虚拟内存管理

虚拟内存都是通过进程的页表管理的。

为了节省物理内存，新创建的进程是与父进程共享同一套物理内存页的。

只有新进程要写某个内存页时，才会给它复制一份新的物理内存页，然后取消该页与父进程的共享，这就是写时复制。

写时复制的过程

写时复制的过程：

1）申请一个新内存页，

2）把老内存页的内容，复制到新内存页上，

3）把新内存页的地址填入子进程的页表，

4）把老内存页的引用计数减1。

所以，新进程刚被创建出来时，它的用户空间并没有自己的物理内存页，只有当运行需要时才一点点地通过写时复制添加，以让物理内存最大限度的空闲着。

另一个让物理内存最大限度空闲着的机制，就是需求加载：

1）当mmap一个文件时，操作系统并不会直接为这个文件分配内存，并且把它的内容加载到内存里，

2）而是当进程真去读这个文件的某一部分时，才给它申请物理内存页，并且把这一部分内容从磁盘读到内存。

copy on write，load on read.

不到火烧眉毛的时候，Linux系统是不会把物理内存给进程的​

3.用户态的内存函数

以上的这些机制都是OS内核里的，应用程序的代码不需要管这些。

应用程序分配内存的最底层函数，就是brk()系统调用。

brk()是一个系统调用，它的作用就是修改应用程序的数据段的结尾，从而分配或回收应用程序的堆空间。

C库里的把它封装成了sbrk()和brk()两个函数，让它使用起来更符合人们的习惯：

sbrk()用于申请内存：void* sbrk(int increment);

brk()用于回收内存：int brk(void* addr);

实际上，Linux系统只有1个brk()系统调用，它既设置进程数据段的末尾，又会把这个值返回给应用程序。

Linux内核的头文件里，brk()系统调用的处理函数sys_brk()是这么定义的，如上图。

如果想直接使用系统调用，可以使用Linux的syscall()函数，依次传入调用号和参数列表，就可以看到哪些是真实的系统调用，哪些是C库的封装。

syscall()函数的声明是：long syscall(long number, ...);

它的参数是可变的，系统调用的参数最多只有6个，因为寄存器的个数有限。

在sbrk() 和 brk()的基础上再封装，就是人们经常使用的malloc() 和 free()了。

malloc() 申请的内存是一块块的，可以不按次序释放，而不影响使用。

brk() 和 sbrk() 申请的内存必须按次序释放，因为它会修改进程的数据段结尾：

数据段结尾（brk）之外的堆空间如果被使用，就属于段错误。

所以，Linux man手册里说明了，应用程序不要用sbrk()和brk()申请和释放内存。

brk()的作用也只是通知Linux内核哪个范围的堆内存是可用的，真正的物理内存页是在进程实际读写内存的时候才会申请，而且是由内核根据写时复制/需求加载自动完成的，应用程序感知不到这点。

Linux还会把不常用的物理内存页交换到磁盘上（即swap分区），以腾出更多的内存。

所以，在内存不足时，磁盘的读写频次也会升高。