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Linux操作系統之快速內存操作技術

    我們總希望能在內核空間和用戶空間自由交換數據,傳統的方式是采用內核提供的vma機制,通過copy_to/from_user之類的方法來實現。這對於高速數據塊傳送是不可取的。 其實kswapd有時交換數據至外存時,性能相當差,一般而言,你的PC主存並不見得就用盡了,而且很多應用並是你所關心的,但卻實實在在消耗你的計算資源,此時,你可能會想到采用實地址操作你的應用(盡管有MMU的支持),在UCLinux中,當沒有MMU時,工作起來是挺爽的。

    最方便的,最高效的,無非是實地址下,操作物理內存,相當於DMA.盡管Linux 2.6內核在VMA方面的性能要優於2.4,但swap機制有一定的缺限。在VxWorks中,對內存的管理是很細致且精確的。如果你在Linux下申請大塊內存操作時,當觸發kswap快速交換回主存時,你會發現你的計算機 哪一段時間,幾乎要休息幾分鐘,盡管你看起來free輸出的頁面已經很多了,但此時的外存幾乎一直忙著,且CPU負荷相當重,這時也可能你根本就沒做任何操作。

    有沒有辦法既在VMA機制下工作,又能直接處理主存數據呢?

    回答是肯定的。內核啟動後,會將主存映射為/dev/mem,當我們在VMA中申請一塊邏輯區間後,將轉換的物理地址傳與用戶空間,用戶空間就可以線性操作這段區間了,直接采用mmap就可以在物理主存中讀寫。

    還有更快的方式嗎?不采用mmap行嗎?

    當然有,當VMA將物理區塊地址及大小傳與用戶空間後,用戶完全可以采用地址讀寫模式,這幾近於機器指令操作了(可以獨立於OS之外)。 此種實現方式很簡單,首先打開/dev/mem,直接定位至VMA傳上來的地址就可以操作了,無需mmap.通知用戶空間,可以采用procfs/sysfs等。

    強烈建議:在邊界控制上,一定要精確細致,不推薦初學者采用,一旦越界,可能引起“Kernel Panic”。 更有可能就DOWN了。 對於此實現方式,建議參考mapper(LDD3)程序。 同時,也可以用mapper檢查讀寫是否正確。

    新的IA32中,PAGE_SIZE = 4K MAX_ORDER = 11 ,gfp最大申請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,請參見Kernel關於內存映射的算法。 當主存達到1G或超過時,請減小用戶空間大小。

    隨著硬件技術的發展,VMA在主存相當大時,可以考慮進行修正,完全可以集中采用物理映射方式。沒必要交換了。否則,反而影響性能。 32位平台,如果主存2G,采用SWAP會使得性能有較大下降。 而在大容量數據傳輸時,也不可能采用SWAP方式的,不允許換出。 建議Linus在VMA中加入進程分類,不平類別的應用,分配不同的內存塊。 小數據PAGE_SIZE = 4K/大數據4M/128M. 地址模式全轉換為64位,兼容32位,當應用於Embedded系統時,直接使用32位模式。

    如將做成多個微系統,不同微核,運行不同應用(不同的進程管理,內存管理,文件管理),只是接口可以統一,不同標志而已。




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