Linux内存管理

内存管理

物理内存只有内存管理模块可以操作
虚拟地址每个进程看到的是独立的、互不干扰的虚拟地址空间
- 内核空间在高地址内核同一个内核空间
- 用户空间在低地址普通进程独占整个空间
用户态内存构成
- Text Segment 存放二进制可执行代码
- Data Segment 存放静态常量
- BSS Segment 未初始化的静态变量
- 堆（Heap）段动态分配内存
- Memory Mapping Segment 文件映射进内存
- 栈（Stack）地址段函数调用的函数栈
可以查看进程内存空间的布局的命令
```
cat /proc/<pid>/map
pmap <pid>
```
物理内存和虚拟地址映射
- 分段机制 Linux中段只被用于访问控制和内存保护。
段选择子和段内偏移量，段基地址加上段内偏移量得到物理内存地址。
- 分页机制 Linux 主要使用分页的机制 多级页表
- 段页机制

64位

直接映射区: 这一块空间是连续的，和物理内存是非常简单的映射关系

vmalloc: 内核动态映射空间类似用户空间的malloc

持久内核映射: 对应物理内存的高端内存

固定映射区域: 满足特殊需求

查看虚拟内存和物理内存的映射关系

cat /proc/pid/pagemap
cat /proc/kpagecount
cat /proc/kpageflags
cat /proc/kpagecgroup

物理内存

当前的主流场景。

内存不是一整块。每个 CPU 都有自己的本地内存，CPU 访问本地内存不用过总线，在本地内存不足的情况下，每个 CPU 都可以去另外的 NUMA 节点申请内存。

节点
区域
- DMA 直接内存存取
  
  CPU 只需向 DMA 控制器下达指令，让 DMA 控制器来处理数据的传送，数据传送完毕再把信息反馈给 CPU，这样就可以解放 CPU
- 直接映射区
- 高端内存区
- 可移动区域避免内存碎片
页物理内存的基本单位

分配方式：
- 整页分配
- 将页划分成多个小块的存储池
  - slab 利用队列
  - slub 使用队列
  - slob 嵌入式
伙伴系统（buddy）

Linux 中的内存管理的“页”大小为 4KB。把所有的空闲页分组为 11 个页块链表，每个块链表分别包含很多个大小的页块，有 1、2、4、8、16、32、64、128、256、512 和 1024 个连续页的页块。

每次分配内存的时候，优先从对应大小的页块链表去找空间的页块，如果找不到，则去更大的页块中去找页块，并将其拆分到可以分配，将未分配的加入到新的链表中去。
kswapd 负责物理页面的换入换出内核线程，在系统初始化的时候就被创建
Slub Allocator 将从伙伴系统申请的大内存块切成小块，分配给其他系统。
- 缓存
  - fast path 对应 struct kmem_cache 中的 kmem_cache_cpu
  - slow path 对应 struct kmem_cache 中的 kmem_cache_node

内存分配

用户态内存映射函数 mmap，包括用它来做匿名映射和文件映射。
用户态的页表结构，存储位置在 mm_struct 中。
在用户态访问没有映射的内存会引发缺页异常，分配物理页表、补齐页表。如果是匿名映射则分配物理内存；如果是 swap，则将 swap 文件读入；如果是文件映射，则将文件读入。

内核态内存映射函数 vmalloc、kmap_atomic

kmap_atomic 没有页表的时候，就直接创建页表进行映射

vmalloc 它只分配了内核的虚拟地址访问它的时候，会产生缺页异常
内核态页表是放在 init_top_pgt，定义在 __INITDATA里面
内核态缺页异常

do_page_fault -> vmalloc_fault