Linux中怎么实现虚拟内存

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Linux虚拟内存怎么实现

第一个例子：下面一段程序会打印出程序的pid(进程号)后挂起。

#include

intmain(){

printf("run`pmap%d`\n",getpid());

pause();

}

将上面代码保存成文件mem_munch.c然后运行下面程序编译并执行：

$gccmem_munch.c-omem_munch

$./mem_munch

run`pmap25681`

上面进程号是25681，可能你试验的结果会不太一样。

下面我们通过pmap命令来查看一下这个小程序的内存使用情况

$pmap25681

25681:./mem_munch

00000000004000004Kr-x--/home/user/mem_munch

00000000006000004Kr----/home/user/mem_munch

00000000006010004Krw---/home/user/mem_munch

00007fcf5af880001576Kr-x--/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.13.so

00007fcf5b1120002044K-----/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.13.so

00007fcf5b31100016Kr----/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.13.so

00007fcf5b3150004Krw---/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.13.so

00007fcf5b31600024Krw---[anon]

00007fcf5b31c000132Kr-x--/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.13.so

00007fcf5b51200012Krw---[anon]

00007fcf5b53900012Krw---[anon]

00007fcf5b53c0004Kr----/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.13.so

00007fcf5b53d0008Krw---/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.13.so

00007fff7efd8000132Krw---[stack]

00007fff7efff0004Kr-x--[anon]

ffffffffff6000004Kr-x--[anon]

total3984K

上面的结果是这个程序的内存使用情况，其实更确切的说是这个程序认为它使用内存的情况。从上面的结果我们能看到，当你访问libc库时，实际上是对内存地址00007fcf5af88000的访问，当你访问ld库时，实际上是对内存地址00007fcf5b31c000的访问。

上面的输出可能还比较抽象，下面我们修改一下上面的程序，我们在程序的堆和栈上各放一块数据。

#include

intmain(){

inton_stack,*on_heap;

//局部变量是放在栈上的，所以on_stack的地址就是栈的初始地址

on_stack=42;

printf("stackaddress:%p\n",&on_stack);

//malloc的内存是在堆上分配的

on_heap=(int*)malloc(sizeof(int));

printf("heapaddress:%p\n",on_heap);

printf("run`pmap%d`\n",getpid());

pause();

}

编译运行：

$./mem_munch

stackaddress:0x7fff497670bc

heapaddress:0x1b84010

run`pmap11972`

然后再用pmap命令查看一下内存使用：

$pmap11972

11972:./mem_munch

00000000004000004Kr-x--/home/user/mem_munch

00000000006000004Kr----/home/user/mem_munch

00000000006010004Krw---/home/user/mem_munch

0000000001b84000132Krw---[anon]

00007f3ec4d980001576Kr-x--/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.13.so

00007f3ec4f220002044K-----/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.13.so

00007f3ec512100016Kr----/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.13.so

00007f3ec51250004Krw---/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.13.so

00007f3ec512600024Krw---[anon]

00007f3ec512c000132Kr-x--/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.13.so

00007f3ec532200012Krw---[anon]

00007f3ec534900012Krw---[anon]

00007f3ec534c0004Kr----/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.13.so

00007f3ec534d0008Krw---/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.13.so

00007fff49747000132Krw---[stack]

00007fff497bb0004Kr-x--[anon]

ffffffffff6000004Kr-x--[anon]

total4116K

这次多出了上面红色的一行内容，红色内容就是堆的起始位置：

0000000001b84000132Krw---[anon]

在我们程序运行的输出里也有一行红色的输出，这是这个地址在程序中的内存地址：

heapaddress:0x1b84010

这两个地址基本上是一样的，其中的anon是Anonymous的缩写，表明这段内存是没有文件映射的。

我们再看上面绿色的两行，与上面相对应，这两行分别是用pmap和应用程序看到的栈起始地址：

00007fff49747000132Krw---[stack]

stackaddress:0x7fff497670bc

上面说到的内存使用，都只是程序认为自己对内存的使用，实际上程序在分配内存是不知道系统内存的状态的。所以上面的输出都只是从程序自己的角度看到的内存使用状况。比如在上面的例子中，我们看到程序的内存地址空间是从0×0000000000400000到0xffffffffff600000的所有地址(而0xffffffffff600000到0×00007fffffffffffffff之间的地址是有特殊用处的，这里不多讲)。这样算下来，我们总共可以使用的内存空间有1千万TB。

但是实际上目前没有硬件能有1千万TB的物理内存。为什么操作系统会如此设计呢?原因有很多，可以看这里，但也正因此，我们可以使用远远超出物理内存大小的内存空间。

内存映射

内存映射的原理就是让操作系统将一个文件映射到一段内存中，然后在操作这个文件内存就可以像操作内存一样。比如我们创建一个完全内容随机的文件，然后将它用内存映射的方式映射到一段内存空间中。那么我们在这段内存中随便取一位就相当于取到了一个随机数。下面就让我们来做这个实验，先用下面命令生成一个内容随机的文件。

$ddif=/dev/urandombs=1024count=1000000of=/home/user/random

1000000+0recordsin

1000000+0recordsout

1024000000bytes(1.0GB)copied,123.293s,8.3MB/s

$ls-lhrandom

-rw-r--r--1useruser977M2011-08-2916:46random

然后我们用下面程序来将这个文件内容映射到内存，再从中取出随机数

#include

intmain(){

char*random_bytes;

FILE*f;

intoffset=0;

//open"random"forreading

f=fopen("/home/user/random","r");

if(!f){

perror("couldn'topenfile");

return-1;

}

//wewanttoinspectmemorybeforemappingthefile

printf("run`pmap%d`,thenpress",getpid());

getchar();

random_bytes=mmap(0,1000000000,PROT_READ,MAP_SHARED,fileno(f),0);

if(random_bytes==MAP_FAILED){

perror("errormappingthefile");

return-1;

}

while(1){

printf("randomnumber:%d(pressfornextnumber)",*(int*)(random_bytes+offset));

getchar();

offset+=4;

}

然后运行这个程序：

$./mem_munch

run`pmap12727`,thenpress

Linux虚拟内存怎么实现

下面我们通过一次次的按下回车键来从这个文件中读取随机数，按下几次后我们可以再通过pmap来查看其内存空间的情况：

$pmap12727

12727:./mem_munch

00000000004000004Kr-x--/home/user/mem_munch

00000000006000004Kr----/home/user/mem_munch

00000000006010004Krw---/home/user/mem_munch

000000000147d000132Krw---[anon]

00007fe261c6f000976564Kr--s-/home/user/random

00007fe29d61c0001576Kr-x--/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.13.so

00007fe29d7a60002044K-----/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.13.so

00007fe29d9a500016Kr----/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.13.so

00007fe29d9a90004Krw---/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.13.so

00007fe29d9aa00024Krw---[anon]

00007fe29d9b0000132Kr-x--/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.13.so

00007fe29dba600012Krw---[anon]

00007fe29dbcc00016Krw---[anon]

00007fe29dbd00004Kr----/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.13.so

00007fe29dbd10008Krw---/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.13.so

00007ffff29b2000132Krw---[stack]

00007ffff29de0004Kr-x--[anon]

ffffffffff6000004Kr-x--[anon]

total980684K

上面的输出和之前的大同小异，但是多出了上面红色的一行。这是我们上面的随机文件映射到内存中的内存。我们再使用pmap-x选项来查看一下程序的内存使用，会得到下面的内容，其中RSS(residentsetsize)列表示真实占用的内存。

pmap-x12727

12727:./mem_munch

AddressKbytesRSSDirtyModeMapping

0000000000400000040r-x--mem_munch

0000000000600000044r----mem_munch

0000000000601000044rw---mem_munch

000000000147d000044rw---[anon]

00007fe261c6f000040r--s-random

00007fe29d61c00002880r-x--libc-2.13.so

00007fe29d7a6000000-----libc-2.13.so

00007fe29d9a500001616r----libc-2.13.so

00007fe29d9a9000044rw---libc-2.13.so

00007fe29d9aa00001616rw---[anon]

00007fe29d9b000001080r-x--ld-2.13.so

00007fe29dba600001212rw---[anon]

00007fe29dbcc00001616rw---[anon]

00007fe29dbd0000044r----ld-2.13.so

00007fe29dbd1000088rw---ld-2.13.so

00007ffff29b200001212rw---[stack]

00007ffff29de000040r-x--[anon]

ffffffffff600000000r-x--[anon]

----------------------------------

totalkB980684508100

如果你的虚拟内存占用(上面的Kbytes列)都是0，不用担心，这是一个在Debian/Ubuntu系统上pmap-x命令的bug。最后一行输出的总占用量是正确的。

现在你可以看一下RSS那一列，这就是实际内存占用。在random文件上，你的程序实际上可以访问在00007fe261c6f000之前的数十亿字节的内存地址，但是只要你访问的地址超过4KB，那么操作系统就会去磁盘上查找内容。也就是说实际上只有4KB的物理内存被使用了。只有访问这4KB的东西时，才是真正的内存操作。其它部分虽然你使用的也是内存操作函数来访问它，但是由于它没有被加载到内存中，所以在这些内容被访问的时候，操作系统会先去磁盘读random中读取内容到内存中。

如果我们把程序再修改一下，修改成下面这样，让程序把整个random文件都访问一遍。

#include

intmain(){

char*random_bytes;

FILE*f;

intoffset=0;

//open"random"forreading

f=fopen("/home/user/random","r");

if(!f){

perror("couldn'topenfile");

return-1;

}

random_bytes=mmap(0,1000000000,PROT_READ,MAP_SHARED,fileno(f),0);

if(random_bytes==MAP_FAILED){

printf("errormappingthefile\n");

return-1;

}

for(offset=0;offset<1000000000;offset+=4){ 　　inti=*(int*)(random_bytes+offset); 　　//toshowwe'remakingprogress 　　if(offset%1000000==0){ 　　printf("."); 　　} 　　} 　　//attheend,waitforsignalsowecancheckmem 　　printf("\ndone,run`pmap-x%d`\n",getpid()); 　　pause(); 　　} 　　现在我们的pmap-x命令就会得到如下输出：　　$pmap-x5378 　　5378:./mem_munch 　　AddressKbytesRSSDirtyModeMapping 　　0000000000400000044r-x--mem_munch 　　0000000000600000044r----mem_munch 　　0000000000601000044rw---mem_munch 　　0000000002271000044rw---[anon] 　　00007fc2aa33300009765640r--s-random 　　00007fc2e5ce000002920r-x--libc-2.13.so 　　00007fc2e5e6a000000-----libc-2.13.so 　　00007fc2e606900001616r----libc-2.13.so 　　00007fc2e606d000044rw---libc-2.13.so 　　00007fc2e606e00001616rw---[anon] 　　00007fc2e607400001080r-x--ld-2.13.so 　　00007fc2e626a00001212rw---[anon] 　　00007fc2e629000001616rw---[anon] 　　00007fc2e6294000044r----ld-2.13.so 　　00007fc2e6295000088rw---ld-2.13.so 　　00007fff037e600001212rw---[stack] 　　00007fff039c9000040r-x--[anon] 　　ffffffffff600000000r-x--[anon] 　　---------------------------------- 　　totalkB980684977072104

上述就是小编为大家分享的Linux中怎么实现虚拟内存了，如果刚好有类似的疑惑，不妨参照上述分析进行理解。如果想知道更多相关知识，欢迎关注创新互联行业资讯频道。

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