Linux內存管理系統性總結

內存管理核心架構圖

詳細分析

1. 頁表機制（多級頁表轉換）

核心功能：虛擬地址到物理地址的轉換和內存保護

四級頁表結構（x86_64）：

// arch/x86/include/asm/pgtable_types.h
typedef struct { pgdval_t pgd; } pgd_t;  // 頁全局目錄
typedef struct { p4dval_t p4d; } p4d_t;  // 頁四級目錄
typedef struct { pudval_t pud; } pud_t;  // 頁上級目錄
typedef struct { pmdval_t pmd; } pmd_t;  // 頁中間目錄
typedef struct { pteval_t pte; } pte_t;  // 頁表項

地址轉換流程：

關鍵機制：

1. 大頁支持：

   • 2MB大頁：PMD直接指向物理頁
   • 1GB大頁：PUD直接指向物理頁
   • 減少TLB miss，提升性能

2. 寫時復制（CoW）：

   // mm/memory.c
   static vm_fault_t do_wp_page(struct vm_fault *vmf)
   {// 1. 檢查是否共享頁// 2. 分配新物理頁// 3. 復制內容// 4. 更新頁表項
   }
   

3. 缺頁處理：

   // arch/x86/mm/fault.c
   void do_page_fault(struct pt_regs *regs, unsigned long error_code)
   {// 調用鏈：// handle_mm_fault() -> __handle_mm_fault() -> handle_pte_fault()
   }
   

4. TLB：
   4.1 定位：CPU內部的硬件緩存（通常為SRAM）
   4.2 作用：緩存最近使用的頁表條目（PTE）
   4.3 性能價值：
   (1) 頁表訪問需4次內存訪問（4級頁表）
   (2) TLB訪問僅需1-3個CPU周期（比內存快100倍+）

2. 伙伴系統（Buddy System）

核心功能：管理物理頁幀的分配與釋放，解決外部碎片

數據結構：

// mmzone.h
struct zone {struct free_area free_area[MAX_ORDER];  // 11個階(0-10)
};struct free_area {struct list_head free_list[MIGRATE_TYPES];unsigned long nr_free;
};

分配流程：

遷移類型：

1. MIGRATE_UNMOVABLE：內核核心數據結構
2. MIGRATE_MOVABLE：用戶空間頁面
3. MIGRATE_RECLAIMABLE：可回收頁面
4. MIGRATE_PCPTYPES：per-CPU頁面

關鍵操作：

// mm/page_alloc.c
static struct page *__rmqueue(struct zone *zone, unsigned int order,int migratetype)
{// 1. 嘗試首選遷移類型// 2. 失敗時嘗試fallback類型
}

3. SLAB分配器

核心功能：高效分配內核小對象，減少內存碎片

三級緩存結構：

關鍵數據結構：

// mm/slab.h
struct kmem_cache {unsigned int size;        // 對象實際大小unsigned int object_size; // 對象原始大小struct kmem_cache_node **node;  // Per-NODE緩存struct array_cache __percpu *cpu_cache; // Per-CPU緩存
};struct slab {struct list_head list;   // SLAB鏈表void *s_mem;            // 第一個對象地址unsigned int active;     // 活躍對象數
};

分配流程：

4. 虛擬內存區域（VMA）

核心功能：管理進程的虛擬地址空間布局

數據結構：

// mm_types.h
struct vm_area_struct {unsigned long vm_start;     // 起始地址unsigned long vm_end;       // 結束地址struct mm_struct *vm_mm;    // 所屬內存結構pgprot_t vm_page_prot;      // 訪問權限unsigned long vm_flags;     // 標志位struct rb_node vm_rb;       // 紅黑樹節點const struct vm_operations_struct *vm_ops; // 操作函數集struct file *vm_file;       // 映射的文件
};

VMA類型：

1. 文件映射：

   • 映射文件到內存（mmap）
   • 缺頁時從文件系統讀取（filemap_fault）

2. 匿名映射：

   • 堆/棧空間
   • 缺頁時分配零頁（do_anonymous_page）

VMA管理：

反向映射：

// mm/rmap.c
struct anon_vma {struct rw_semaphore rwsem;struct rb_root rb_root;  // 關聯的VMA
};

5. 內存回收機制

核心組件：

1. kswapd守護進程：后臺回收
2. 直接回收：分配時觸發
3. OOM Killer：內存耗盡處理

LRU算法：

// mmzone.h
enum lru_list {LRU_INACTIVE_ANON = 0,LRU_ACTIVE_ANON = 1,LRU_INACTIVE_FILE = 2,LRU_ACTIVE_FILE = 3,LRU_UNEVICTABLE = 4,NR_LRU_LISTS
};

回收流程：

系統級協作流程

關鍵源碼路徑

1. 頁表機制：

   • arch/x86/mm/fault.c（缺頁處理）
   • mm/memory.c（頁表操作）

2. 伙伴系統：

   • mm/page_alloc.c（核心分配邏輯）

3. SLAB分配器：

   • mm/slub.c（SLUB實現）
   • mm/slab_common.c（通用接口）

4. 虛擬內存管理：

   • mm/mmap.c（VMA創建/刪除）
   • mm/vmalloc.c（非連續內存分配）

5. 內存回收：

   • mm/vmscan.c（頁面回收）
   • mm/swap_state.c（交換管理）

性能優化技術

1. Per-CPU緩存：SLAB和伙伴系統均實現
2. 預讀機制：文件映射缺頁時預加載
3. 透明大頁（THP）：自動合并小頁
4. 內存壓縮（zswap）：減少交換I/O
5. cgroup內存控制：容器級隔離

內存利用率優化技術

這是內存管理藝術的核心，通過各種技術減少浪費（碎片），讓有限物理內存服務更多進程和數據：

1，分頁：

1.1 基礎： 允許物理內存以頁為單位非連續分配，減少外部碎片。

1.2 按需分配： 進程申請大量內存時，操作系統通常只建立虛擬地址空間的映射，并不立即分配物理頁。直到進程首次訪問該頁面觸發頁面故障時，才分配物理頁幀并建立映射。這避免了分配但未使用的內存浪費。

2,虛擬內存：

2.1 核心思想： 利用磁盤空間（交換區/頁文件）擴展物理內存。

2.2 換頁： 當物理內存不足時，操作系統選擇一些“不活躍”的內存頁（頁面置換算法如LRU, Clock, LFU等決定），將其內容寫入磁盤，釋放其物理頁幀供其他進程使用。

2.3 效果： 使得進程的虛擬地址空間可以遠大于物理內存，允許多個大型進程同時運行（盡管部分在磁盤上）。極大地提高了物理內存的利用率。

3,寫時復制：

3.1 場景： fork()系統調用創建子進程，或共享內存映射。

3.2 機制： 初始時，父子進程共享相同的物理頁幀，并將這些頁標記為只讀。當任何一方試圖寫入共享頁時，觸發頁面故障。內核捕獲此故障，為該進程復制一個新物理頁幀，復制原內容，并更新該進程的頁表映射為可寫。然后恢復進程執行寫入操作。

3.3 優勢： 避免了在fork()后立即復制整個進程地址空間的巨大開銷，大量共享的只讀頁（如代碼段）無需復制。只有真正被修改的頁才需要物理復制。顯著節省內存。

4,內存壓縮：

機制： 在物理內存緊張但尚未達到需要換頁的程度時，內核將多個“可壓縮”的、最近未使用的頁內容壓縮存儲在一個物理頁幀中，釋放出空閑頁幀。

優勢： 比換頁到磁盤快得多（磁盤I/O慢），能緩解內存壓力，推遲甚至避免昂貴的換頁操作，提高響應速度。

5,高效的內存分配器：

目標： 管理堆內存，減少內部碎片和外部碎片，提高分配/釋放速度。

策略：

Slab分配器： 針對內核對象（如task_struct, inode等頻繁創建銷毀的小對象），預分配不同大小的Slab緩存，對象從Slab中快速分配釋放，避免反復向通用分配器申請，減少碎片。

伙伴系統： 管理物理頁幀分配，按2的冪次大小組織空閑鏈表，易于合并相鄰空閑塊，減少外部碎片。

用戶空間分配器： 如glibc的ptmalloc, jemalloc, tcmalloc，采用不同策略（如線程本地緩存、大小分級、惰性合并）來優化多線程下的性能和碎片。

6,共享內存：

機制： 允許多個進程將同一塊物理內存映射到各自的虛擬地址空間。

優勢： 進程間通信最高效的方式，避免了數據復制。節省物理內存（一份數據供多個進程訪問）。常用于數據庫、科學計算等需要大量數據共享的場景。

7, 內存過量使用：

機制： 允許系統承諾分配的內存總量超過實際物理內存+交換空間的總和。依賴于程序不會同時訪問所有已分配內存的特性（局部性原理）和高效的換頁機制。

風險與平衡： 如果所有進程同時大量訪問“承諾”的內存，會導致嚴重的抖動（頻繁換頁），性能急劇下降。操作系統需要謹慎監控和策略來管理風險。

總結表格

組件	核心功能	數據結構	優化技術
頁表機制	地址轉換與保護	pgd_t, pte_t	TLB, 大頁
伙伴系統	物理頁幀管理	zone, free_area	遷移類型, per-CPU緩存
SLAB分配器	小對象高效分配	kmem_cache, slab	CPU緩存, 對象重用
VMA管理	虛擬地址空間布局	vm_area_struct	紅黑樹, 反向映射
內存回收	內存資源回收	lruvec, anon_vma	LRU算法, 交換壓縮

此架構實現了從進程虛擬地址空間到物理內存的完整映射，通過多級緩存和智能回收策略，在保證隔離性和安全性的同時，最大化內存利用率和訪問性能。