今天我們不聊具體內(nèi)存管理的算法，我們就來看看，操作系統(tǒng)用什么樣的一張表，達(dá)到了管理內(nèi)存的效果。

我們以 Linux 0.11 源碼為例，發(fā)現(xiàn)進(jìn)入內(nèi)核的 main 函數(shù)后不久，有這樣一坨代碼。

void main(void) { 
    ... 
    memory_end = (1<<20) + (EXT_MEM_K<<10); 
    memory_end &= 0xfffff000; 
    if (memory_end > 16*1024*1024) 
        memory_end = 16*1024*1024; 
    if (memory_end > 12*1024*1024)  
        buffer_memory_end = 4*1024*1024; 
    else if (memory_end > 6*1024*1024) 
        buffer_memory_end = 2*1024*1024; 
    else 
        buffer_memory_end = 1*1024*1024; 
    main_memory_start = buffer_memory_end; 
 
    mem_init(main_memory_start,memory_end); 
    ... 
} 

除了最后一行外，前面的那一大坨的作用很簡(jiǎn)單。

其實(shí)就只是針對(duì)不同的內(nèi)存大小，設(shè)置不同的邊界值罷了，為了理解它，我們完全沒必要考慮這么周全，就假設(shè)總內(nèi)存一共就 8M 大小吧。

那么如果內(nèi)存為 8M 大小，memory_end 就是

8 * 1024 * 1024

也就只會(huì)走倒數(shù)第二個(gè)分支，那么 buffer_memory_end 就為

2 * 1024 * 1024

那么 main_memory_start 也為

2 * 1024 * 1024

你仔細(xì)看看代碼邏輯，看是不是這樣?

當(dāng)然，你不愿意細(xì)想也沒關(guān)系，上述代碼執(zhí)行后，就是如下效果而已。

你看，其實(shí)就是定了三個(gè)箭頭所指向的地址的三個(gè)邊界變量。具體主內(nèi)存區(qū)是如何管理和分配的，要看 mem_init 里做了什么。

void main(void) { 
    ... 
    mem_init(main_memory_start, memory_end); 
    ... 
} 

而緩沖區(qū)是如何管理和分配的，就要看再后面的 buffer_init 里干了什么。

void main(void) { 
    ... 
    buffer_init(buffer_memory_end); 
    ... 
} 

不過我們今天只看，主內(nèi)存是如何管理的，很簡(jiǎn)單，放輕松。

進(jìn)入 mem_init 函數(shù)。

#define LOW_MEM 0x100000 
#define PAGING_MEMORY (15*1024*1024) 
#define PAGING_PAGES (PAGING_MEMORY>>12) 
#define MAP_NR(addr) (((addr)-LOW_MEM)>>12) 
#define USED 100 
 
static long HIGH_MEMORY = 0; 
static unsigned char mem_map[PAGING_PAGES] = { 0, }; 
 
// start_mem = 2 * 1024 * 1024 
// end_mem = 8 * 1024 * 1024 
void mem_init(long start_mem, long end_mem) 
{ 
    int i; 
    HIGH_MEMORY = end_mem; 
    for (i=0 ; i<PAGING_PAGES ; i++) 
        mem_map[i] = USED; 
    i = MAP_NR(start_mem); 
    end_mem -= start_mem; 
    end_mem >>= 12; 
    while (end_mem-->0) 
        mem_map[i++]=0; 
} 

發(fā)現(xiàn)也沒幾行，而且并沒有更深的方法調(diào)用，看來是個(gè)好欺負(fù)的方法。

仔細(xì)一看這個(gè)方法，其實(shí)折騰來折騰去，就是給一個(gè) mem_map 數(shù)組的各個(gè)位置上賦了值，而且顯示全部賦值為 USED 也就是 100，然后對(duì)其中一部分又賦值為了 0。

賦值為 100 的部分就是 USED，也就表示內(nèi)存被占用，如果再具體說是占用了 100 次，這個(gè)之后再說。剩下賦值為 0 的部分就表示未被使用，也即使用次數(shù)為零。

是不是很簡(jiǎn)單?就是準(zhǔn)備了一個(gè)表，記錄了哪些內(nèi)存被占用了，哪些內(nèi)存沒被占用。這就是所謂的“管理”，并沒有那么神乎其神。

那接下來自然有兩個(gè)問題，每個(gè)元素表示占用和未占用，這個(gè)表示的范圍是多大?初始化時(shí)哪些地方是占用的，哪些地方又是未占用的?

還是一張圖就看明白了，我們?nèi)匀患僭O(shè)內(nèi)存總共只有 8M。

可以看出，初始化完成后，其實(shí)就是 mem_map 這個(gè)數(shù)組的每個(gè)元素都代表一個(gè) 4K 內(nèi)存是否空閑(準(zhǔn)確說是使用次數(shù))。

4K 內(nèi)存通常叫做 1 頁內(nèi)存，而這種管理方式叫分頁管理，就是把內(nèi)存分成一頁一頁(4K)的單位去管理。

1M 以下的內(nèi)存這個(gè)數(shù)組干脆沒有記錄，這里的內(nèi)存是無需管理的，或者換個(gè)說法是無權(quán)管理的，也就是沒有權(quán)利申請(qǐng)和釋放，因?yàn)檫@個(gè)區(qū)域是內(nèi)核代碼所在的地方，不能被“污染”。

1M 到 2M 這個(gè)區(qū)間是緩沖區(qū)，2M 是緩沖區(qū)的末端，緩沖區(qū)的開始在哪里之后再說，這些地方不是主內(nèi)存區(qū)域，因此直接標(biāo)記為 USED，產(chǎn)生的效果就是無法再被分配了。

2M 以上的空間是主內(nèi)存區(qū)域，而主內(nèi)存目前沒有任何程序申請(qǐng)，所以初始化時(shí)統(tǒng)統(tǒng)都是零，未來等著應(yīng)用程序去申請(qǐng)和釋放這里的內(nèi)存資源。

那應(yīng)用程序如何申請(qǐng)內(nèi)存呢?我們本講不展開，不過我們簡(jiǎn)單展望一下，看看申請(qǐng)內(nèi)存的過程中，是如何使用 mem_map 這個(gè)結(jié)構(gòu)的。

在 memory.c 文件中有個(gè)函數(shù) get_free_page()，用于在主內(nèi)存區(qū)中申請(qǐng)一頁空閑內(nèi)存頁，并返回物理內(nèi)存頁的起始地址。

比如我們?cè)?fork 子進(jìn)程的時(shí)候，會(huì)調(diào)用 copy_process 函數(shù)來復(fù)制進(jìn)程的結(jié)構(gòu)信息，其中有一個(gè)步驟就是要申請(qǐng)一頁內(nèi)存，用于存放進(jìn)程結(jié)構(gòu)信息 task_struct。

int copy_process(...) { 
    struct task_struct *p; 
    ... 
    p = (struct task_struct *) get_free_page(); 
    ... 
} 

我們看 get_free_page 的具體實(shí)現(xiàn)，是內(nèi)聯(lián)匯編代碼，看不懂不要緊，注意它里面就有 mem_map 結(jié)構(gòu)的使用。

unsigned long get_free_page(void) { 
    register unsigned long __res asm("ax"); 
    __asm__( 
        "std ; repne ; scasb\n\t" 
        "jne 1f\n\t" 
        "movb $1,1(%%edi)\n\t" 
        "sall $12,%%ecx\n\t" 
        "addl %2,%%ecx\n\t" 
        "movl %%ecx,%%edx\n\t" 
        "movl $1024,%%ecx\n\t" 
        "leal 4092(%%edx),%%edi\n\t" 
        "rep ; stosl\n\t" 
        "movl %%edx,%%eax\n" 
        "1:" 
        :"=a" (__res) 
        :"0" (0),"i" (LOW_MEM),"c" (PAGING_PAGES), 
        "D" (mem_map + PAGING_PAGES-1) 
        :"di","cx","dx"); 
    return __res; 
} 

就是選擇 mem_map 中首個(gè)空閑頁面，并標(biāo)記為已使用。

好了，本講就這么多，只是填寫了一張大表而已，簡(jiǎn)單吧?之后的內(nèi)存申請(qǐng)與釋放等騷操作，統(tǒng)統(tǒng)是跟著張大表 mem_map 打交道而已，你一定要記住它哦。