鸿蒙内核源码分析(内存主奴篇)

原创

小帅聊鸿蒙

发布于 2025-03-08 19:18:16

主子和奴才

请想一个问题，内核本身也是程序要在内存运行，用户程序一样也要在内存运行，大家都在一个窝里吃饭，你凭什么就管我了.好像内核程序是主子，用户程序是奴才似的.

哎! 其实用户进程就是内核的一个个奴才，被捏的死死的. 按不住奴才那这主子就不合格，就不是一个稳定系统. 请想想实际内存就这么点大，如何满足众多用户进程的需求? 内核空间和用户空间如何隔离? 如何防止访问乱串? 如何分配/释放，防止碎片化? 空间不够了又如何置换到硬盘? 想想头都大了。内核这当家的主子真是不容易，这些都是他要解决的问题，但欲戴其冠，必承其重.

先说如果没有内存管理会怎样?

那就是个奴才们能把主子给活活踩死，想想主奴不分，吃喝拉撒睡都在一起，称兄道弟的想干啥? 没规矩不成方圆嘛，这事业肯定搞不大，单片机时代就是这种情况. 裸机编程，指针可以随便乱飞，数据可以随意覆盖，没有划定边界，没有明确职责，没有特权指令，没有地址保护，你还想像java开发一样，只管new内存，不去释放，应用可以随便崩但系统跑的妥妥的？想的美! 直接系统死机，甚至开机都开不了，主板直接报废了. 所以不能运行很复杂的程序，尽量可控，而且更是不可能支持应用的动态加载运行. 队伍大了就不好带了，方法得换，游击队的做法不适合规模作战，内存就需要管理了，而且是 5A级的严格管理。

内存管理在管什么?

简单说就是给主子赋能，拥有超级权利，为什么就他有? 因为他先来，掌握了先机.它定好了游戏规则，你们来玩.有哪些游戏规则?

第一: 主奴有别，主子即是裁判又是运动员，主子有主子地方，奴才们有奴才们待的地方，主子可以在你的空间走来走去，但你只能在主人划定的区域活动.奴才把自己玩崩了也只是奴才over了，但主人和其他人还会是好好的. 主子有所有特权，比如某个奴才太嚣张了，就直接拖到午门问斩。
第二: 奴奴有分，奴才们基本都是平等的，虽有高级和低级奴才区分，但本质都是奴才。奴才之间是不能随意勾连，登门问客的，防止一块搞政变. 他们都有属于自己的活动空间，而且活动空间还巨大巨大，大到奴才们觉得整个紫荆城都是他们家的，给你这么大空间你干活才有动力，奴才们是铆足了劲一个个尽情的表演各种剧本，有玩电子商务的，有玩游戏的，有搞直播的等等。。。不愧是紫荆城的主人很有一套，明明只有一个紫禁城，硬被他整出了N个紫荆城的感觉。而且这套驾奴本领还取了个很好听的名字叫：虚拟内存。看图：

这是整个紫荆城的全貌图，里面的内核虚拟空间是主人专用的，里面放的是主人的资料，数据，奴才永远进不去，kernel heap 也是给主人专用的动态内存空间，管理奴才和日常运作开销很多时候需要动态申请内存，这个是专门用来提供给主人使用的。而所有奴才的空间都在叫用户空间的那一块。你没看错，是所有奴才的都在那。当然实际情况是用户空间比图中的大的多，因为主人其实用不了多少空间，大部分是留给奴才们干活用了，因为篇幅的限制笔者把用户空间压缩了下。再来看看奴才空间是啥样的。看图

这张图是第一张图的局部用户空间放大图。里面放的是奴才的私人用品，数据，task运行栈区，动态分配内存的堆区，堆区自下而上，栈区自上而下中间由映射区(L1，L2表)隔开。这么多奴才在里面不挤吗？答案是：真不挤。主人手眼通天，因为用了一个好帮手解决了这个问题，这个帮手名叫 MMU（李大总管）

MMU是干什么事的？

看下某度对MMU定义：它是一种负责处理中央处理器（CPU）的内存访问请求的计算机硬件。它的功能包括虚拟地址到物理地址的转换（即虚拟内存管理）、内存保护、中央处理器高速缓存的控制。通过它的一番操作，把物理空间成倍成倍的放大，他们之间的映射关系存放在页面中。

好像看懂又好像没看懂是吧，到底是干啥的？其实就是个地址映射登记中心。记住这两个字：映射看下图

物理内存可以理解为真实世界的紫禁城，虚拟内存就是被MMU虚拟出来的比物理页面大的多的空间。举例说明大概说明下过程：

有A(厨师)，B(文艺青年) 两个奴才来到紫禁城，每个人都很有抱负，主子规定要先跑去登记处登记活动范围，领回来一张表叫 L1页表，上面说了大半个紫禁城你可以跑动，都是你的，L1页表记录你每个房间的编号。其实奴才们的表都一样，能跑的范围也都一样。李大总管也有一张私人表叫TLB表，具体玩的呢，看个例子就明白了.

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举例说明

TLB表(李总管的私人表)

真实房间  当前谁在用  
----------------------------- 
7           A  
8           C  
9           B

李大总管的私人表叫 TLB（translation lookaside buffer）可翻译为“地址转换后援缓冲器”，也可简称为“快表”。从TLB表可以看出，有三个真实的房间， 7，8，9，目前是分配给了A，B，C使用.

奴才们的L1页表(当然可以有无数的奴才表，每个奴才人手一张)

        虚拟房间  真实房间  作用  
----------------------------------  
A奴才       1       7       厨房拿菜  
A奴才       2       8       洗手间  
A奴才       3       9       卧室

        虚拟房间  真实房间  作用  
----------------------------------  
B奴才       3       8       音乐室  
B奴才       1       9       美术室  
B奴才       2       7       武术室

再模拟一个他们的活动场景:

奴才  动作1  动作2      动作3  动作4  
------------------------------------  
A  厨房拿菜  卧室睡觉  上洗手间  无  
B  武术室    美术室     无      音乐室

第一: A要去1号间厨房拿菜，提交表给李总管，李总管拿表和自己的表对照，发现1号虚拟房间对应的是7号真实房间，7号刚好分配给了A用，盖章同意.A拿到了自己菜.

真实房间  当前谁在用  
-----------------------------  
7           A  
8           C  
9           B

此时李总管的表没变化.

第二: B要去2号间练武术，提交表给李总管，李总管拿表和自己的表对照，发现1号虚拟房间对应的是7号真实房间，7号是A在用，不属于B，里面放的都还是菜呢，咋办?简单，把菜挪出去，把B奴才的武术设备装进来，更改自己的表变成了

  真实房间  当前谁在用  
----------------------------- 
  7         B  
  8         C  
  9         B

此时李总管的表变了，三个真实房间B用了两个了.

第三: A要去3号间睡觉了，又提交表给李总管，李总管拿表和自己的表对照，发现3号虚拟房间对应的是9号真实房间，9号刚好分配给了B用了，此时里面放的还是美术用品呢.咋办?简单，挪出去，把A奴才的睡觉设备装进来，再更改自己的表变成了

  真实房间  当前谁在用  
-----------------------------
  7         B  
  8         C  
  9         A

此时李总管的表变了，9号给了A了，而8号一直在C手里，因为过程中没人用到了8号房.但继续跑下去肯定会易主.

明白了吗? 这就是 映射的核心思想!

对A，B来说，它们只认 1，2，3房间，记得自己的房间是干什么用的就行，完全不必知道背后的7，8，9是谁在用，用房间之前提交表单就行了，后面的不用管.

而且各自1，2，3可以重新映射到不一样的房间， A，B映射是完全独立的，看清没有它们的123对应的可不都是789的顺序.

上面的1，2，3就叫虚拟地址，也叫线性地址. 而789就是物理地址. 如此只有三个房间都可以给很多很多的奴才使用，让他们觉得这三个房间都是自己的. 完美!!!

当然AB也可以有自己虚拟地址789，例如:

    虚拟房间  真实房间  作用  
----------------------------- 
A奴才   1       7       厨房拿菜  
A奴才   2       8       洗手间  
A奴才   3       9       卧室  
A奴才   7       19      洗澡  
A奴才   8       88      去皇上寝宫偷看  
A奴才   9       45      御膳房