认识达内从这里开始

随着互联网的不断发展，越来越多的人都在学习计算机编程开发等互联网技术，而本文我们就通过案例分析来简单了解一下，Linux内存管理知识分享。

一、地址映射

inux内核使用页式内存管理，应用程序给出的内存地址是虚拟地址，它需要经过若干级页表一级一级的变换，才变成真正的物理地址。

想一下，地址映射还是一件很恐怖的事情。当访问一个由虚拟地址表示的内存空间时，需要先经过若干次的内存访问，得到每一级页表中用于转换的页表项(页表是存放在内存里面的)，才能完成映射。也就是说，要实现一次内存访问，实际上内存被访问了N+1次(N=页表级数)，并且还需要做N次加法运算。

所以，地址映射必须要有硬件支持，mmu(内存管理单元)就是这个硬件。并且需要有cache来保存页表，这个cache就是TLB(Translationlookasidebuffer)。

尽管如此，地址映射还是有着不小的开销。假设cache的访存速度是内存的10倍，命中率是40%，页表有三级，那么平均一次虚拟地址访问大概就消耗了两次物理内存访问的时间。于是，一些嵌入式硬件上可能会放弃使用mmu，这样的硬件能够运行VxWorks(一个很高效的嵌入式实时操作系统)、linux(linux也有禁用mmu的编译选项)等系统。

但是使用mmu的优势也是很大的，主要的是出于安全性考虑。各个进程都是相互独立的虚拟地址空间，互不干扰。而放弃地址映射之后，所有程序将运行在同一个地址空间。于是，在没有mmu的机器上，一个进程越界访存，可能引起其他进程莫名其妙的错误，甚至导致内核崩溃。

在地址映射这个问题上，内核只提供页表，实际的转换是由硬件去完成的。那么内核如何生成这些页表呢?这就有两方面的内容：虚拟地址空间的管理和物理内存的管理。(实际上只有用户态的地址映射才需要管理，内核态的地址映射是写死的。)

二、虚拟地址管理

每个进程对应一个task结构，它指向一个mm结构，这就是该进程的内存管理器。(对于线程来说，每个线程也都有一个task结构，但是它们都指向同一个mm，所以同一进程中的多个线程的地址空间是共享的。)

mm->pgd指向容纳页表的内存，每个进程有自已的mm，每个mm有自己的页表。于是，进程调度时，页表被切换(一般会有一个CPU寄存器来保存页表的地址，比如X86下的CR3，页表切换就是改变该寄存器的值)。所以，各个进程的地址空间互不影响(因为页表都不一样了，当然无法访问到别人的地址空间上。但是共享内存除外，这是故意让不同的页表能够访问到相同的物理地址上)。

用户程序对内存的操作(分配、回收、映射、等)都是对mm的操作，具体来说是对mm上的vma(虚拟内存空间)的操作。这些vma代表着进程空间的各个区域，比如堆、栈、代码区、数据区、各种映射区等。

用户程序对内存的操作并不会直接影响到页表，更不会直接影响到物理内存的分配。比如malloc成功，仅仅是改变了某个vma，页表不会变，物理内存的分配也不会变。

假设用户分配了内存，然后访问这块内存。由于页表里面并没有记录相关的映射，CPU产生一次缺页异常。内核捕捉异常，检查产生异常的地址是不是存在于一个合法的vma中，如果不是，则给进程一个"段错误"，让其崩溃;如果是，则分配一个物理页，并为之建立映射。

三、物理内存管理

那么物理内存是如何分配的呢?

先，linux支持NUMA(NonUniformMemoryAccess)。物理内存管理的一个层次就是介质的管理，pg_data_t结构就描述了介质。一般而言，我们的内存管理介质只有内存，并且它是均匀的，所以可以简单地认为系统中只有一个pg_data_t对象。

每一种介质下面有若干个zone，一般是三个：DMA、NORMAL和HIGH。

DMA：因为有些硬件系统的DMA总线比系统总线窄，所以只有一部分地址空间能够用作DMA，这部分地址被管理在DMA区域(这属于是高级货了);

HIGH：内存。在32位系统中，地址空间是4G，其中内核规定3~4G的范围是内核空间，0~3G是用户空间(每个用户进程都有这么大的虚拟空间)(图：中下)。前面提到过内核的地址映射是写死的，就是指这34G的对应的页表是写死的，**它映射到了物理地址的01G上**。(实际上没有映射1G，只映射了896M。剩下的空间留下来映射大于1G的物理地址，而这一部分显然不是写死的)。所以，大于896M的物理地址是没有写死的页表来对应的，内核不能直接访问它们(必须要建立映射)，称它们为内存(当然，如果机器内存不足896M，就不存在内存。如果是64位机器，也不存在内存，因为地址空间很大很大，属于内核的空间也不止1G了);

NORMAL：不属于DMA或HIGH的内存就叫NORMAL。

在zone之上的zone_list代表了分配策略，即内存分配时的zone优先级。一种内存分配往往不是只能在一个zone里进行分配的，比如分配一个页给内核使用时，优先是从NORMAL里面分配，不行的话就分配DMA里面的好了(HIGH就不行，因为还没建立映射)，这就是一种分配策略。

每个内存介质维护了一个mem_map，为介质中的每一个物理页面建立了一个page结构与之对应，以便管理物理内存。

每个zone记录着它在mem_map上的起始位置。并且通过free_area串连着这个zone上空闲的page。物理内存的分配就是从这里来的，从free_area上把page摘下，就算是分配了。(内核的内存分配与用户进程不同，用户使用内存会被内核监督，使用不当就"段错误";而内核则无人监督，只能靠自觉，不是自己从free_area摘下的page就不要乱用。)

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