Linux 如何管理内存？

Linux 如何管理内存？

Linux通过内核中的内存管理子系统来管理内存，主要涉及物理内存和虚拟内存的管理。具体如下：

1. 内存分配与管理算法
   • 物理内存模型：Linux 内核以页为基本单位对物理内存进行管理[^2^]。物理内存被划分为一页一页的内存块，每页大小一般为 4K。内核使用 struct page 结构体来管理每个物理页，并通过 PFN（Page Frame Number）对其进行索引。
   • 平坦内存模型（FLATMEM）：适用于连续物理内存的管理，内核使用一个全局 mem_map 数组来组织所有物理页。该模型简单高效，适合小型物理内存的管理[^2^]。
   • 非连续内存模型（DISCONTIGMEM）：用于管理非连续物理内存，消除内存空洞对 mem_map 的空间浪费。此模型可以更有效地管理具有内存碎片的大型物理内存[^2^]。
   • 伙伴系统算法：用于有效解决外部碎片问题，通过维护不同大小的内存块链表来分配和回收内存。该算法在内存申请和释放时自动合并和分割内存块，从而提高内存使用效率[^1^]。
   • slab算法：主要用于解决内部碎片问题，特别是频繁的小内存申请和释放。slab 分配器通过对多个小内存对象进行分组和管理，减少了内存碎片并提高了分配效率[^1^]。
2. 虚拟内存管理
   • 虚拟地址空间布局：每个进程都有独立的虚拟地址空间，通常为4GB。这个空间被分为用户空间和内核空间。用户态代码运行在用户空间，而内核态代码运行在内核空间[^5^]。
   • 内存分段与分页机制：通过MMU（内存管理单元）实现虚拟地址到物理地址的转换。分段机制将逻辑地址转换为线性地址，分页机制则把线性地址转换为物理地址[^1^]。
   • 进程内存布局：包括代码段、数据段、BSS段、堆、MMAP区域和栈。这些区域通过不同的方式管理和分配内存，如堆一般通过 malloc 申请内存，而栈用于存储局部变量和函数调用信息[^1^]。
3. 内存初始化与页表创建
   • 启动阶段页表创建：在系统启动过程中，汇编阶段的 head.S 文件中通过 create_page_tables 函数负责创建初始页表。这包括 identity mapping 和 kernel image mapping，确保内核能够正确访问内存资源[^3^]。
   • 请求分页机制：当进程需要实际访问内存时，会通过请求分页机制产生缺页异常，然后调入相应的物理内存页。这个过程由内核自动管理，无需用户干预[^5^]。
4. 高级内存管理技术
   • 内存池管理：对于有特定需求的应用，可以自定义内存池来更高效地管理内存。内存池通过批量申请和回收内存，减少了内存碎片和提高了分配速度[^1^]。
   • 大内存块申请：对于需要申请大于4MB内存的情况，可以通过修改内核参数或使用特定的内核接口来实现。大块内存申请主要用于特殊的应用场景，如大型数据库或科学计算[^1^]。

综上所述，Linux通过多种内核机制和技术来有效管理物理内存和虚拟内存。这些机制相互配合，确保系统内存资源的高效利用和稳定运行。