物理内存管理

页面内存管理

Linux把物理内存划分为若干个大小相同（通常是4k）的页面，每个页面使用struct page描述，在内核初始化时会根据物理内存大小和页面大小，初始化一个struct page数组mem_map[]对系统中所有的页面进行统一管理。

物理页面描述

使用Node，Zone，Page三级结构进行管理。

• 对于NUMA计算机，有多个Node，非NUMA计算机则只有一个Node。
• 每个Node中有3个Zone，分别为DMA，Normal和HighMem（有的还有DMA32等其他Zone，不是必须，有的有特殊用途，此处忽略）。在32位CPU中，DMA为从3G开始的16M地址空间，Normal为接下来的880M地址空间，HighMem为最后的128M地址空间。在64位CPU中，由于目前只用了48位地址，共256T地址空间，内核态占用高128T地址空间，所有物理内存都可以被映射到内核，所以没有HighMem Zone（其实也是有的，只是跟32位的有区别）。
• Page是内核物理内存管理的最小单位，包含各种该页面内存的状态信息，分配状况等。

物理页面分配

使用Buddy，以2的N次方个页面为单位进行内存分配，主要解决外部碎片问题。

物理页面回收

回收类型

内存中并非所有物理页面都是可以进行回收的，内核占用的页不会被换出，只有与用户空间建立了映射关系的物理页面才会被换出。总的来说，以下这些种物理页面可以被 Linux 操作系统回收：

• 进程映射所占的页面，包括代码段，数据段，堆栈以及动态分配的“存储堆”（ malloc 分配的）。
• 用户空间中通过 mmap()把文件内容映射到内存所占的页面。
• 匿名页面(没有映射到文件的都是匿名映射，用户空间的堆和栈)：进程用户模式下的堆栈以及是使用 mmap 匿名映射的内存区(共享内存 区)。注：堆栈所占页面一般不被换出。
• 特殊的用于 slab 分配器的缓存，比如用于缓存文件目录结构 dentry 的 cache，以及用于缓存索引节点 inode 的 cache
• tmpfs 文件系统使用的页。

回收时机

• 周期性的检查：这是由后台运行的守护进程 kswapd 完成的。该进程定期检查当前系统的内存使用情况，当发现系统内空闲的物理页面数目少于特定的阈值时，该进程就会发起页面回收的操作。
• “内存严重不足”事件的触发：在某些情况下，比如，操作系统忽然需要通过伙伴系统为用户进程分配一大块内存，或者需要创建一个很大的缓冲区，而当时系统中 的内存没有办法提供足够多的物理内存以满足这种内存请求，这时候，操作系统就必须尽快进行页面回收操作，以便释放出一些内存空间从而满足上述的内存请求。 这种页面回收方式也被称作“直接页面回收”。

swap内存管理

在低速磁盘上选定一块空间，以页面大小（通常是4k）为单位划分空间（开头还有4k的swap分区描述结构），以页面为单位进行管理。

虚拟内存管理

内核态虚拟内存管理

内核态虚拟内存分配

• 使用slab分配器（嵌入式系统使用轻量级slub分配器，大型服务器使用支持大量大内存分配的slob分配器），主要解决外部碎片问题。

• 在此基础上创建一系列的页面缓存，比如task_struct，inode，file缓存。

• kmalloc使用slab创建一系列以2的N次方大小为单位的页面缓存进行内存分配，所以分配的内存的物理连续的，且地址空间位于Normal Zone。

• vmalloc与vmalloc使用的分配方法稍有不同，分配的内存可能是屋里不连续的，且映射空间在HighMem Zone。

用户态虚拟内存分配

• malloc进行内存分配实际上是通过brk和mmap函数实现的，brk和mmap函数仅仅是在进程的task_struc中创建新的vma，以及为进程创建新的页表，并未进行实际内存分配。
• 实际内存分配发生在当用户初次访问内存引起的缺页中断中，使用buddy分配器以页面为单位进行分配。

页面缓存管理

• 命名页面，比如所有的文件或者块设备所对应的页面缓冲，也就是有后备存储的缓冲。在Linux的所有文件或者块设备的IO过程中，除了使用DirectIO方式之外，全部会使用内存进行缓冲。如果使用read/write方式，则会有块缓冲，如果使用mmap方式，则会使用页缓冲。在新版的Linux内核中，这二者已经融为一体，使用相同的不同的数据结构描述相同的数据页面，且对于inode相同的文件或块设备，其缓冲在整个内核中只有唯一的一份。

• 匿名页面，比如用户态分配的内存，无论是brk还是mmap分配，也就是没有后备存储的页面。

• 在页面回收时，对于命名页面，如果为脏则陷入后备存储后丢弃，对于匿名页面，如果为脏则写入swap存储。

• 页面缓存回收使用LRU2Q算法，将不常用的页面释放掉。

用户态可以对命名页面进行控制的函数

• fadvise系列函数，控制缓存页面的加载，丢弃。

• mlock系列函数，锁定或解锁缓存页面。

• mincore函数， 查看命名页面状态。