記憶體管理

記憶體管理的主要任務有以下幾點：

  1. 提供記憶區塊以滿足程式的要求。
  2. 保護程式的記憶區塊，確保不受其它程式不當的侵犯。
  3. 提供一個機制，讓合作的程式可以共享記憶區塊。
Linux 記憶體管理的基礎是要求分頁的虛擬記憶體模型 (demand paged virtual memory model)，讓我們就虛擬記憶體，分頁和要求分頁一一作說明：

虛擬記憶體是說程式直接存取的記憶體不再是實體記憶體的位址，以 x86 為例，在 DOS下的程式，它可以自由地在某一記憶體位址中填入任何一個值，例如在 1000:0000 這個byte上填入 ff。但是在多工的系統中這麼做很容易引起衝突，例如當同時有兩個程式同要在同一個位址上填值時，它們不當會改寫對方的資料，。但是程式若以合法的方式要求在某一個地址作存取時，作業系統應該要儘量滿足這種要求，解決的方法就是讓程式看到的位址不再是實體記憶體的位址，程式可以要求存取任一個可能的記憶位址(稱為邏輯位址)，但是當它把這個要求送出來時，作業系統和硬體的配合，會把這個位址轉換成作業系統之前為它保留的記憶區塊裡(實體位址)，所以對不同的程式，儘管存取同一邏輯記憶位址，作業系統會把它們指到不同的實體記憶位址上，因此不再有衝突。這整過程對程式而言都是透明的，它們不知道位址被改過。這種轉換的機置會讓系統的效率降低，但是卻是多工系統不可或缺的。

分頁是以頁為記憶體管理的單位，目前大多數 CPU 都支援這種機制，在 x86 平台上，一頁是 4K bytes，在 alpha 平台上是 8K bytes，因此在 x86 平台上，64MB 的記憶體相當於16000 頁。分頁機制是讓記憶體的配置以頁為單位，例如程式向作業系統要 5K bytes 的記憶空間時，作業系統就會給它兩頁的記憶體(因為一頁太少了，不夠用)。很明顯地，這種機制非常浪費(在上面的例子中，有 3K bytes 的記憶體浪費了)，因此 Linux 2.2版後提供另一種稱為 SLAB 的機制，它為許多小量的記憶體或常用的資料結構分別成立一些 cache，因此當程式要求這些記憶體時，作業系統就給它合適的記憶體，不必再給一整頁的記憶區塊，因而提高記憶體的使用效率。分頁機制亦是常見實作虛擬記憶體的方式，它讓邏輯位址和實體位址的轉換以頁為單位，當程式向作業系統要求記憶體，作業系統在給予某頁時，同時也把邏輯位址和實體位址的轉換建立起來。

為再加提高效率，程式向作業系統要求記憶時，作業系統會先向程式回應 OK，但並不馬上配置記憶體，直到程式真的要存取這塊記憶體了，作業系統才會配置這塊記憶體。

現在我們可以回應本節開頭提到的記憶體管理的主要任務：

  1. 記憶區塊是以頁為單位提供給程式使用。
  2. 記憶體的保護也是以頁為單位，例如頁甲是屬於程式甲，程式乙無權存取。
  3. 記憶體的共享亦是以頁為單位。
 

Linux 的記憶體管理中還有一個很重要的機制，稱為記憶置換 (swapper)，這是當實體記憶體不足時，例如原本記憶就不多或是正在執行一個大程式，如果又有程式要求配置記憶體，作業系統會把不常存取的記憶頁的內容先存到硬碟裡，把這頁實體記憶體拿來滿足程式的要求。之後若有程式要存取被置換到硬碟的那一頁記憶體內容，作業系統就會把它讀回來，但是放在那裡？是否須要放到原來的實體位址上，不用，那裡有空位就放那裡，只要把邏輯位址和實體位址的對應改一下即可，這裡可以看出虛擬記憶體的好處，若是實體記憶體仍然吃緊，找不出空位，那只好找另一個不常用的記憶頁，請它暫時到硬碟去，位置空出來給這筆急用的資料了。