虚拟内存管理

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虚拟内存管理

基本概念

虚拟内存管理是计算机系统管理内存的一种技术。每个进程都有连续的虚拟地址空间,虚拟地址空间的大小由CPU的位数决定,32位的硬件平台可以提供的最大的寻址空间为0-4GiB。整个4GiB空间分成两部分,LiteOS-A内核占据3GiB的高地址空间,1GiB的低地址空间留给进程使用。各个进程空间的虚拟地址空间是独立的,代码、数据互不影响。

系统将虚拟内存分割为称为虚拟页的内存块,大小一般为4KiB或64KiB,LiteOS-A内核默认的页的大小是4KiB,根据需要可以对MMU(Memory Management Units)进行配置。虚拟内存管理操作的最小单位就是一个页,LiteOS-A内核中一个虚拟地址区间region包含地址连续的多个虚拟页,也可只有一个页。同样,物理内存也会按照页大小进行分割,分割后的每个内存块称为页帧。虚拟地址空间划分:内核态占高地址3GiB(0x40000000 ~ 0xFFFFFFFF),用户态占低地址1GiB(0x01000000 ~ 0x3F000000),具体见下表,详细可以查看或配置los_vm_zone.h。

表 1 内核态地址规划:

Zone名称

描述

属性

DMA zone

供IO设备的DMA使用。

Uncache

Normal zone

加载内核代码段、数据段、堆和栈的地址区间。

Cache

high mem zone

可以分配连续的虚拟内存,但其所映射的物理内存不一定连续。

Cache

表 2 用户态虚地址规划:

Zone名称

描述

属性

代码段

用户态代码段地址区间。

Cache

用户态堆地址区间。

Cache

用户态栈地址区间。

Cache

共享库

用于加载用户态共享库的地址区间,包括mmap所映射的区间。

Cache

运行机制

虚拟内存管理中,虚拟地址空间是连续的,但是其映射的物理内存并不一定是连续的,如下图所示。可执行程序加载运行,CPU访问虚拟地址空间的代码或数据时存在两种情况:

  • CPU访问的虚拟地址所在的页,如V0,已经与具体的物理页P0做映射,CPU通过找到进程对应的页表条目(详见虚实映射),根据页表条目中的物理地址信息访问物理内存中的内容并返回。
  • CPU访问的虚拟地址所在的页,如V2,没有与具体的物理页做映射,系统会触发缺页异常,系统申请一个物理页,并把相应的信息拷贝到物理页中,并且把物理页的起始地址更新到页表条目中。此时CPU重新执行访问虚拟内存的指令便能够访问到具体的代码或数据。

图 1 内存映射示意图

开发指导

接口说明

表 3 虚拟内存管理模块接口

功能分类

接口名称

描述

获取进程空间系列接口

LOS_CurrSpaceGet

获取当前进程空间结构体指针

LOS_SpaceGet

获取虚拟地址对应的进程空间结构体指针

LOS_GetKVmSpace

获取内核进程空间结构体指针

LOS_GetVmallocSpace

获取vmalloc空间结构体指针

LOS_GetVmSpaceList

获取进程空间链表指针

虚拟地址区间region相关的操作

LOS_RegionFind

根据起始地址在进程空间内查找是否存在虚拟地址区间

LOS_RegionRangeFind

根据地址区间在进程空间内查找是否存在虚拟地址区间

LOS_IsRegionFileValid

判断虚拟地址区间region是否与文件关联映射

LOS_RegionAlloc

申请空闲的虚拟地址区间

LOS_RegionFree

释放进程空间内特定的region

LOS_RegionEndAddr

获取指定地址区间region的结束地址

LOS_RegionSize

获取region的大小

LOS_IsRegionTypeFile

判断是否为文件内存映射

LOS_IsRegionPermUserReadOnly

判断地址区间是否是用户空间只读属性

LOS_IsRegionFlagPrivateOnly

判断地址区间是否是具有私有属性

LOS_SetRegionTypeFile

设置文件内存映射属性

LOS_IsRegionTypeDev

判断是否为设备内存映射

LOS_SetRegionTypeDev

设置设备内存映射属性

LOS_IsRegionTypeAnon

判断是否为匿名映射

LOS_SetRegionTypeAnon

设置匿名映射属性

地址校验

LOS_IsUserAddress

判断地址是否在用户态空间

LOS_IsUserAddressRange

判断地址区间是否在用户态空间

LOS_IsKernelAddress

判断地址是否在内核空间

LOS_IsKernelAddressRange

判断地址区间是否在内核空间

LOS_IsRangeInSpace

判断地址区间是否在进程空间内

vmalloc操作

LOS_VMalloc

vmalloc申请内存

LOS_VFree

vmalloc释放内存

LOS_IsVmallocAddress

判断地址是否是通过vmalloc申请的

内存申请系列接口

LOS_KernelMalloc

申请小于16KiB的内存则通过堆内存池获取,否则申请多个连续物理页

LOS_KernelMallocAlign

申请具有对齐属性的内存,申请规则:申请小于16KiB的内存则通过堆内存池获取,否则申请多个连续物理页

LOS_KernelFree

释放内核堆内存

LOS_KernelRealloc

重新分配内核内存空间

其他

LOS_PaddrQuery

根据虚拟地址获取对应的物理地址

LOS_VmSpaceFree

释放进程空间,包括虚拟内存区间、页表等信息

LOS_VmSpaceReserve

在进程空间中预留一块内存空间

LOS_VaddrToPaddrMmap

将指定长度的物理地址区间与虚拟地址区间做映射,需提前申请物理地址区间

LOS_UserSpaceVmAlloc

根据地址、大小、权限等信息在用户进程空间内申请地址区间region

开发流程

虚拟内存相关接口的使用:

  1. 根据进程空间获取的系列接口可以得到进程空间结构体,进而可以读取结构体相应信息。

  2. 对虚拟地址区间做相关操作:

    • 通过LOS_RegionAlloc申请虚拟地址区间;

    • 通过LOS_RegionFind、LOS_RegionRangeFind可以查询是否存在相应的地址区间;

    • 通过LOS_RegionFree释放虚拟地址区间。

  3. vmalloc接口及内存申请系列接口可以在内核中根据需要申请内存。

说明: 内存申请系列接口申请的内存要求物理内存是连续的,当系统内存无法满足大块连续内存的申请条件时会申请失败,一般适用于小块内存的申请;vmalloc相关接口申请的内存可以获得不连续的物理内存,但其是以页(当前系统一个页为4096字节)为单位的,当需要申请以页为整数倍的内存时可以通过vmalloc申请,例如文件系统中文件读取需要较大的缓存,便可以通过vmalloc相关接口申请内存。