linux内存原理深入理解linux内存管理

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本文目录一览：

1、Linux三大分配器之浅析slab基本原理
2、Linux内存碎片深度剖析:原理、处理与分析全指南
3、深入Linux内存原理中页、页表和页框(块)

Linux三大分配器之浅析slab基本原理

1、Linux三大分配器之SLAB基本原理浅析 SLAB（Slab Allocator）是Linux内核中的一种内存分配器，旨在提供比Buddy分配器更细粒度的内存管理。SLAB通过将page拆分为更小的单位（称为obj对象）来管理，从而提高了内存分配的效率和灵活性。

2、Slab分配器的工作原理：高速缓存（Cache）：Slab分配器将对象分组存放在高速缓存中，每个高速缓存都是同类型对象的一种“储备”。Slab结构：主内存区被划分为多个slab，每个slab由一个或多个连续的页组成，包含已分配和空闲的对象。

3、内存块分割：slab模式将内存块分割为存储同一类型数据的区域，通过对象大小定义分配，从而减少内部碎片。效率优化：slab设计还考虑到了初始化操作的效率，可以缓存对象，避免频繁创建和撤销时的CPU开销。管理方式：链表结构：Linux的缓冲区由多个slab组成，管理方式包括链表结构，状态包括满、空、部分。

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Linux内存碎片深度剖析:原理、处理与分析全指南

内存碎片原理（Principles of Memory Fragmentation）内存碎片问题反映了计算机系统中秩序与混乱的交织。在《浮士德》中，歌德写道：“在混沌中寻求秩序，我便是最有能力的人。”这句话揭示了人类试图在混乱中寻找意义与秩序的本性，内存碎片正是这一过程的体现。

当内存即将被占满且需要运行新的程序时，Linux系统会自动按照程序的重要性进行内存清理。它会关闭部分不重要的程序，以释放内存资源给需要运行的新程序。然而，这种机制并非万无一失，特别是在内存需求持续超过可用内存时。

直接映射区仅能访问0~896MB物理内存，vmalloc机制允许内核使用更高地址的物理内存（如高端内存）。vmalloc实现流程申请虚拟内存（get_vm_area）功能：在vmalloc区分配连续的虚拟地址空间。关键步骤：调用kmalloc分配vm_struct结构体保存地址信息。

kmem_cache结构体：Linux内核通过kmem_cache结构体管理slab算法。它利用数组形式统一处理所有kmem_cache实例，并通过size_index数组实现对象大小与kmem_cache结构体之间的映射，从而提高内存分配效率。array_cache结构体：在找到合适的kmem_cache实例后，通过array_cache获取或填充slab对象。

slub 是对 slab 的改进，通过减少 slab 的数量和优化内存管理策略，提高内存使用效率。其数据结构和算法重点在于简化内存管理，并优化内存缓存性能。

Linux管理物理内存的两种方式连续内存管理分配方式：为用户程序分配连续的物理内存空间，程序可通过指针直接访问任意物理地址。特点：实现简单：无需复杂数据结构支持。访问速度快：CPU可直接通过地址访问内存，无需地址转换。局限性：长期运行后易产生内存碎片，导致大块连续内存不足。

深入Linux内存原理中页、页表和页框(块)

1、页框（Page Frame）与物理内存页框的定义：物理内存同样被划分为与页大小相同的固定单元，称为页框（Page Frame）或块。例如，4KB的页对应4KB的页框。页框编号：每个页框从0开始顺序编号，用于与虚拟页建立映射关系。映射关系：操作系统通过页表记录虚拟页与物理页框的对应关系，实现虚拟地址到物理地址的转换。

2、步骤1：CPU根据页号（P）在页表中查找对应页表项。步骤2：从页表项中提取物理块号（Frame Number，FN）。步骤3：物理地址 = FN × 页大小 + 位移量（W）。例如：若页表项中FN为 0x100（第256块），则物理地址为 0x100 × 4KB + 0x1000 = 0x401000。

3、PGD中的每一个active项对应一个物理页框，该页框包含一组PMD(Page Middle Directory)类型的结构。PMD对应的又是一个物理页框，PMD页框中是一组PTE(Page Table Entries)类型的结构。PTE对应一个物理页框用于存放最终的数据。一条线性地址可能被切割为多个部分形成多级页表和页内偏移。

4、虚拟存储器将虚拟页（VP）与物理页（PP）以页帧的形式对应起来。VP是虚拟地址空间的逻辑分块，而PP则是物理内存的物理区块，大小相等。未分配的VP、缓存的VP和未缓存的VP共同构成了进程的虚拟内存状态。深入理解从图示中，我们可以看到进程m和n的VP与PP之间的对应关系。

5、物理内存的分配Linux将内存分配分为两种：大内存分配和小内存分配。大内存分配：利用伙伴系统分配。伙伴系统的做法是将ZONE中的Page分组，然后组装为多个链表。链表中存放的是页块的集合，页块对应着有不同的大小，分别为8 … 1024个页。