Linux操作系統(tǒng)之快速內(nèi)存操作技術(shù)

 我們總希望能在內(nèi)核空間和用戶(hù)空間自由交換數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的方式是采用內(nèi)核提供的vma機(jī)制，通過(guò)copy_to/from_user之類(lèi)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。這對(duì)于高速數(shù)據(jù)塊傳送是不可取的。 其實(shí)kswapd有時(shí)交換數(shù)據(jù)至外存時(shí)，性能相當(dāng)差，一般而言，你的PC主存并不見(jiàn)得就用盡了，而且很多應(yīng)用并是你所關(guān)心的，但卻實(shí)實(shí)在在消耗你的計(jì)算資源，此時(shí)，你可能會(huì)想到采用實(shí)地址操作你的應(yīng)用(盡管有MMU的支持)，在uClinux中，當(dāng)沒(méi)有MMU時(shí)，工作起來(lái)是挺爽的。

最方便的，最高效的，無(wú)非是實(shí)地址下，操作物理內(nèi)存，相當(dāng)于DMA.盡管Linux 2.6內(nèi)核在VMA方面的性能要優(yōu)于2.4，但swap機(jī)制有一定的缺限。在VxWorks中，對(duì)內(nèi)存的管理是很細(xì)致且精確的。如果你在Linux下申請(qǐng)大塊內(nèi)存操作時(shí)，當(dāng)觸發(fā)kswap快速交換回主存時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)你的計(jì)算機(jī) 哪一段時(shí)間，幾乎要休息幾分鐘，盡管你看起來(lái)free輸出的頁(yè)面已經(jīng)很多了，但此時(shí)的外存幾乎一直忙著，且CPU負(fù)荷相當(dāng)重，這時(shí)也可能你根本就沒(méi)做任何操作。

有沒(méi)有辦法既在VMA機(jī)制下工作，又能直接處理主存數(shù)據(jù)呢?

回答是肯定的。內(nèi)核啟動(dòng)后，會(huì)將主存映射為/dev/mem，當(dāng)我們?cè)赩MA中申請(qǐng)一塊邏輯區(qū)間后，將轉(zhuǎn)換的物理地址傳與用戶(hù)空間，用戶(hù)空間就可以線性操作這段區(qū)間了，直接采用mmap就可以在物理主存中讀寫(xiě)。

還有更快的方式嗎?不采用mmap行嗎?

當(dāng)然有，當(dāng)VMA將物理區(qū)塊地址及大小傳與用戶(hù)空間后，用戶(hù)完全可以采用地址讀寫(xiě)模式，這幾近于機(jī)器指令操作了(可以獨(dú)立于OS之外)。 此種實(shí)現(xiàn)方式很簡(jiǎn)單，首先打開(kāi)/dev/mem，直接定位至VMA傳上來(lái)的地址就可以操作了，無(wú)需mmap.通知用戶(hù)空間，可以采用procfs/sysfs等。

強(qiáng)烈建議：在邊界控制上，一定要精確細(xì)致，不推薦初學(xué)者采用，一旦越界，可能引起“Kernel Panic”。 更有可能就DOWN了。 對(duì)于此實(shí)現(xiàn)方式，建議參考mapper(LDD3)程序。 同時(shí)，也可以用mapper檢查讀寫(xiě)是否正確。

新的IA32中，PAGE_SIZE = 4K MAX_ORDER = 11 ，gfp最大申請(qǐng)4M線性邏輯空間，減去PAGE_OFFSET即可得到物理地址。 如果采用了HIMEM和NUMA，請(qǐng)參見(jiàn)Kernel關(guān)于內(nèi)存映射的算法。 當(dāng)主存達(dá)到1G或超過(guò)時(shí)，請(qǐng)減小用戶(hù)空間大小。

隨著硬件技術(shù)的發(fā)展，VMA在主存相當(dāng)大時(shí)，可以考慮進(jìn)行修正，完全可以集中采用物理映射方式。沒(méi)必要交換了。否則，反而影響性能。 32位平臺(tái)，如果主存2G，采用SWAP會(huì)使得性能有較大下降。 而在大容量數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，也不可能采用SWAP方式的，不允許換出。 建議Linus在VMA中加入進(jìn)程分類(lèi)，不平類(lèi)別的應(yīng)用，分配不同的內(nèi)存塊。 小數(shù)據(jù)PAGE_SIZE = 4K/大數(shù)據(jù)4M/128M. 地址模式全轉(zhuǎn)換為64位，兼容32位，當(dāng)應(yīng)用于Embedded系統(tǒng)時(shí)，直接使用32位模式。

如將做成多個(gè)微系統(tǒng)，不同微核，運(yùn)行不同應(yīng)用(不同的進(jìn)程管理，內(nèi)存管理，文件管理)，只是接口可以統(tǒng)一，不同標(biāo)志而已。