多核系统中的内存管理系统优化研究

摘要

多年以来，主流的处理器生产厂商用来提高处理器性能的传统方法如提升时钟速度和指令吞吐量等，似乎已经走到了尽头。多核多线程已经成为当今处理器发展的潮流和趋势。多线程(如同时多线程SMT)能充分发挥单个内核的性能，而多核能更好地发挥整个系统的性能。多核时代的来临，意味着处理器能有更低的功耗，更强的效能，更高的并行性。多核技术的发展不仅是硬件行业的任务，要从其中获得充分的效益，软件行业的共同进步是必不可少的，这意味着习惯了在单核环境中编程的软件开发人员必须转变思想，拥抱变化，软件开发史上的又一次重大变革不可避免地即将来临。 相比较单核处理器而言，多核对软件带来的挑战主要是多核能实现真正的线程级的并行。要编写正确的高效的支持多核的软件，开发人员必须更小心地划分私有数据和共享数据，并妥善解决共享数据可能产生的争用。本文探讨了多核处理器的一些典型特征以及多核系统对软件带来的新的挑战。 操作系统作为计算机软件的核心，要使多核处理器的性能得到充分发挥，操作系统必须要提供足够的支持。从软件角度来看，多核(单芯片多处理器，CMP)与对称多处理器(SMP)几乎是一样的，那些提供了SMP支持的操作系统同样可以提供对多核的有效支持。 内存管理系统作为操作系统内核的核心组成部分之一，对整个系统的性能有着决定性的影响。本文深入探讨了Linux内存管理系统的框架，设计思想以及实现细节，仔细研究了地址映射，物理页的分配和释放，内存管理区及伙伴系统，SLUB系统，进程地址空间的分配和释放，页框的回收和交换等子模块的设计和实现。 本文提出了对SLUB系统和伙伴系统在多核环境下的改进思路和方法。此外，本文还对作为实现多核互斥基础的自旋锁提出了使用MCS自旋锁的改进。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

1.1本论文的研究意义

1.2国内外发展研究现状

1.3章节安排

第二章多核系统相关研究

2.1微处理器发展简史

2.2多核微处理器

2.2.1 Pentium D处理器

2.2.2 Core系列处理器

2.2.3新的Core i7处理器

2.3计算机体系结构的发展

2.4多核系统对软件的要求和挑战

2.5小结

第三章 Linux内存管理系统研究

3.1 Linux内核概论

3.2Linux内存管理系统概论

3.3内存寻址

3.4物理内存的描述

3.5页表管理

3.6伙伴系统

3.6.1伙伴系统的分配算法

3.6.2伙伴系统的释放算法

3.7每CPU页框高速缓存

3.8分配页框

3.9释放页框

3.10 SLUB系统

3.10.1 SLAB和SLUB系统

3.10.2 SLUB系统的分配算法

3.10.3 SLUB系统的释放算法

3.11进程地址空间

3.11.1查找和插入线性区

3.11.2分配线性区

3.11.3释放线性区

3.11.4非连续内存

3.11.5进程地址空间的管理接口

3.12页框的回收和交换

3.13小结

第四章 Linux内存管理系统的优化研究

4.1优化思路

4.2改进SLUB系统

4.2.1局部化半满队列

4.2.2修改oo->ordcr的值

4.3改进伙伴系统

4.4改进自旋锁

4.5小结

第五章总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文