【深度剖析】: Linux内核之内存管理(一)

一 内存管理概述

Linux内核的内存管理涵盖了许多领域：

[1].内存中的物理内存页的管理

[2].分配大块内存的伙伴系统

[3].分配较小内存块的slab、slub和slob分配器

[4].分配非连续内存块的vmalloc机制

[5].进程的地址空间管理

1.虚拟地址空间划分:

Linux将处理器的虚拟地址空间分为两部分：

用户空间：底部大部分区域，供用户进程使用

内核空间：顶部区域，专供内核使用

在IA-32系统上，典型的划分比例是3:1（用户空间3GiB，内核空间1GiB）。这种划分可以通过配置选项调整。

2.物理内存管理挑战:

高端内存（highmem）：当物理内存超过内核直接映射范围时，需要特殊处理。

在IA-32系统上，直接管理的内存不超过896MiB。超过该值(直到最大4GiB为止)的内存只能通过高端内存寻址。

3.内存模型差异：

[1].UMA计算机（一致内存访问）：将可用内存以连续方式组织起来(可能有小的缺口)。SMP系统中的每个处理器访问各个内存区都是同样快，也即速度相同。

[2].NUMA计算机（非一致内存访问）：总是多处理器计算机。系统的各个CPU都有本地内存，可支持特别快速的访问。处理器优先访问本地内存，访问远程内存较慢。

4.内存配置选项:

内核支持三种内存配置模型：

[1].FLATMEM：平坦内存模型（默认）

[2].DISCONTIGMEM：不连续内存模型

[3].SPARSEMEM：稀疏内存模型

二  (N)UMA模型中的内存组织

1.内存管理采用层次化组织：

[1].结点（Node）：每个结点关联到系统中的一个处理器，在内核中表示为pg_data_t的实例.

[2].内存域（Zone）：结点内进一步细分，用于不同用途的内存区域。

[3].页帧（Page Frame）：内存管理的基本单位

2.内存域类型:

内核定义了多种内存域类型：

<mmzone.h>enum zone_type {#ifdef CONFIG_ZONE_DMA    ZONE_DMA,        // 直接内存访问区域#endif#ifdef CONFIG_ZONE_DMA32    ZONE_DMA32,      // 32位DMA区域（64位系统）#endif    ZONE_NORMAL,     // 普通内存域#ifdef CONFIG_HIGHMEM    ZONE_HIGHMEM,    // 高端内存域#endif    ZONE_MOVABLE,    // 可移动内存域（防碎片）    MAX_NR_ZONES};

说明：内核使用数组为每个内存域管理物理内存页（页帧），并为每个页帧分配一个struct page实例及管理数据。内存结点以单链表形式组织，供内核遍历。

为提升性能，内核优先从当前CPU关联的NUMA结点为进程分配内存。若该结点内存耗尽，则通过结点的备用列表（struct zonelist）查找其他可用结点或内存域。列表中位置越靠后的选项，分配优先级越低。

3.数据结构：

[1]. 结点管理（pg_data_t）

每个内存结点对应一个pg_data_t（结点的基本元素）结构：

typedef struct pglist_data {    struct zone node_zones[MAX_NR_ZONES];    // 结点内存域数组    struct zonelist node_zonelists[MAX_ZONELISTS]; // 备用结点列表    int nr_zones;                            // 内存域数量    struct page *node_mem_map;               // 页描述符数组    unsigned long node_start_pfn;           // 起始页帧号    unsigned long node_present_pages;        // 物理页总数    unsigned long node_spanned_pages;        // 总页数（含空洞）    int node_id;                            // 结点ID    // ... 其他字段} pg_data_t;

[2]. 内存域（struct zone）

描述每个内存域的详细信息：

struct zone {    /* 页分配器相关字段 */    unsigned long pages_min, pages_low, pages_high; // 水位标记    unsigned long lowmem_reserve[MAX_NR_ZONES];     // 保留页数    struct per_cpu_pageset pageset[NR_CPUS];         // 每CPU页缓存    /* 空闲区域管理 */    spinlock_t lock;    struct free_area free_area[MAX_ORDER];          // 伙伴系统空闲列表    /* 页面回收相关 */    struct list_head active_list;          // 活动页列表    struct list_head inactive_list;        // 非活动页列表    unsigned long flags;                  // 内存域标志    // ... 其他重要字段};

说明：pages_min、pages_high、pages_low是页换出时使用的“水印”。

如果内存不足，内核可 以将页写到硬盘。这3个成员会影响交换守护进程的行为。

如果空闲页多于pages_high，则内存域的状态是理想的。

如果空闲页的数目低于pages_low，则内核开始将页换出到硬盘。

如果空闲页的数目低于pages_min，那么页回收工作的压力就比较大，因为内存域中急需空 闲页。

[3]. 冷热页机制

为了提高缓存效率，内核为每个CPU维护冷热页列表：

热页（Hot Page）：可能仍在CPU缓存中，访问速度快

冷页（Cold Page）：不在CPU缓存中，访问速度慢

struct per_cpu_pages {    int count;        // 列表中页数    int high;         // 高水位线    int batch;        // 批量操作大小    struct list_head list; // 页链表};

[4]. 页帧描述（struct page）

每个物理页帧对应一个struct page实例：

struct page {    unsigned long flags;                    // 页标志位    atomic_t _count;                       // 使用计数    atomic_t _mapcount;                    // 页表映射计数    unsigned long private;                  // 私有数据    struct address_space *mapping;         // 地址空间映射    pgoff_t index;                        // 页索引    struct list_head lru;                  // LRU链表节点    // ... 其他字段};

重要页标志：

PG_locked：页被锁定，禁止访问

PG_dirty：页内容已修改（脏页）

PG_uptodate：页数据已从块设备读取

PG_lru：页在LRU链表中

三  页表管理

1.页表数据结构

Linux使用四级页表结构支持大地址空间：

[1].页全局目录（PGD）：顶级页表

[2].上层页目录（PUD）：第二级页表

[3].中间页目录（PMD）：第三级页表

[4].页表（PTE）：最后一级页表

2.对应的数据类型：

pgd_t：全局目录项

pud_t：上层目录项

pmd_t：中间目录项

pte_t：页表项

3.页表项标志位：

每个页表项包含重要的控制位：

_PAGE_PRESENT：页是否在内存中

_PAGE_ACCESSED：页是否被访问过

_PAGE_DIRTY：页是否被修改

_PAGE_USER：用户空间是否可访问

_PAGE_READ/WRITE/EXECUTE：访问权限控制

4.页表操作函数：

内核提供丰富的页表操作函数：

// 基本操作

pgd_t *pgd_alloc(struct mm_struct *mm);voidpgd_free(pgd_t *pgd);

// 页表项操作

staticinlinepte_tpte_mkwrite(pte_t pte);    // 设置写权限staticinlinepte_tpte_mkdirty(pte_t pte);     // 标记为脏页staticinlineintpte_young(pte_t pte);         // 检查访问位

// 地址转换

#define pgd_index(address)                      // 获取PGD索引#define pmd_offset(pud, address)                // 获取PMD项

四 关键机制总结

[1]. 水位控制机制

每个内存域维护三个水位值：

>>pages_min：最低水位，内存严重不足

>>pages_low：低水位，开始回收内存

>>pages_high：高水位，内存充足

[2]. 伙伴系统（Buddy System）

用于管理连续物理页帧分配：

>>将空闲页面组织成不同大小的块（2的幂次）

>>提供高效的分配和释放算法

>>减少外部碎片问题

[3]. 反碎片技术

内核采用两种主要技术防止内存碎片：

>>按可移动性分组：将页分为不可移动、可回收、可移动三类

>>虚拟可移动内存域：创建专门的ZONE_MOVABLE区域

[4]. 初始化过程

内存管理初始化包括如下步骤：

>>检测系统内存布局

>>建立结点和内存域数据结构

>>初始化伙伴系统

>>设置页表映射

以上为全文内容。