内存管理框架
整个内存的框架图如下所示：
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可以看出整个内存框架自上而下分为三层：用户、内核、硬件。当有了这个三层的架构意识后，我们自上而下来认识一下内存。
一、用户
在这个一层，如果你曾经写过关于嵌入式或者c语言的代码你就会认识malloc，即使是高级语言的内存申请，本质上也是对malloc的封装以及优化。
当然还记得老师说的malloc和free一定要尽量对称好使用。
这个malloc是谁给咱们的呢？
malloc()和free()是glibc库的内存分配器ptmalloc提供的接口，ptmalloc使用系统调用brk或mmap向内核以页为单位申请内存，然后划分成小内存块分配给应用程序。
用户空间的内存分配器，除了glibc库的ptmalloc，还有谷歌公司的tcmalloc和FreeBSD的jemalloc。（但是大多数编译器都是集成了glibc，所以我们常用的就是malloc）
二、内核
当我们在前一节我们假如使用了malloc，那么通过ptmalloc(glibc)–>brk/mmap–>进入到了内核。
在用户空间动态申请内存用的函数是 malloc()，那么在内核空间中如何申请内存呢？一般我们会用到 kmalloc()、kzalloc()、vmalloc() 等
内核里面又能做什么？
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1-内核基本功能
1、接口
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虚拟内存管理负责从进程的虚拟地址空间分配虚拟页，
- sys_brk用来扩大或收缩堆，
- sys_mmap用来在内存映射区域分配虚拟页，
- sys_munmap用来释放虚拟页。
内核使用延迟分配物理内存的策略，进程第一次访问虚拟页的时候，触发页错误异常，页错误异常处理程序从页分配器申请物理页，在进程的页表中把虚拟页映射到物理页。（为啥这样干的目的，就是因为想通过这样的方式来省内存。）
2、内存分配器
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页分配器负责分配物理页，当前使用的页分配器是伙伴分配器。
内核空间提供了把页划分成小内存块分配的块分配器，提供分配内存的**接口kmalloc()**和释放内存的接口kfree()，支持3种块分配器：
- SLAB分配器、
- SLUB分配器
- SLOB分配器。
在内核初始化的过程中，页分配器还没准备好，需要使用临时的引导内存分配器分配内存。 因为在内核初始化的时候，这个内存分配机制还没建立好。这个部分东西有一篇博客很好，但是略微抽象，后续可看。
2-内核扩展功能
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1、vmalloc
不连续页分配器提供了分配内存的接口vmalloc和释放内存的接口vfree，在内存碎片化的时候，申请连续物理页的成功率很低，可以申请不连续的物理页，映射到连续的虚拟页，即虚拟地址连续而物理地址不连续。
这里你肯定好奇这个vmalloc和malloc还有kmalloc有什么区别？
kmalloc和vmalloc是分配内核的内存，malloc分配的是用户空间的内存。
2、per_cpu
每处理器内存分配器用来为每处理器变量分配内存。（per_cpu）
3、CMA
连续内存分配器（Contiguous Memory Allocator, CMA）用来给驱动程序预留一段连续的内存，当驱动程序不用的时候，可以给进程使用；当驱动程序需要使用的时候，把进程占用的内存通过回收或迁移的方式让出来，给驱动程序使用。
4、内存控制组
内存控制组用来控制进程占用的内存资源。
5、碎片化内存整理
当内存碎片化的时候，找不到连续的物理页，内存碎片整理（“memory compaction”的意译，直译为“内存紧缩”）通过迁移的方式得到连续的物理页。
6、内存回收-页回收
在内存不足的时候，页回收负责回收物理页，对于没有后备存储设备支持的匿名页，把数据换出到交换区，然后释放物理页；
对于有后备存储设备支持的文件页，把数据写回存储设备，然后释放物理页。
如果页回收失败，使用最后一招：内存耗尽杀手（OOM killer, Out-of-Memory killer），选择进程杀掉。
三、硬件
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1-MMU
处理器包含一个称为内存管理单元（Memory Management Unit, MMU）的部件，负责把虚拟地址转换成物理地址。
2-TLB
内存管理单元包含一个称为页表缓存（Translation Lookaside Buffer, TLB）的部件，保存最近使用过的页表映射，避免每次把虚拟地址转换成物理地址都需要查询内存中的页表。
3-缓存
为了解决处理器的执行速度和内存的访问速度不匹配的问题，在处理器和内存之间增加了缓存。
缓存通常分为一级缓存和二级缓存，为了支持并行地取指令和取数据，一级缓存分为数据缓存和指令缓存。
