Linux内存管理

Linux内存管理是一个复杂而精细的主题，它涉及到操作系统如何有效地分配、使用和回收内存资源，以确保系统的高效运行和稳定性。Linux内核采用了一种名为“伙伴系统”（Buddy System）的内存分配策略，尤其在处理大内存分配时，这种方法表现出色。 伙伴系统的核心思想是将物理内存按照2的幂次划分成不同大小的块，例如，从2^0（4KB）到2^10（1MB）。当需要分配特定大小的内存时，系统会从合适的块池中寻找匹配的块。如果找不到精确匹配，它会尝试合并相邻的小块形成大块，然后分配。分配后，剩余的块将作为伙伴再次放入下一级别的块池中，以便后续的分配。这样可以避免大量内存碎片的产生，提高了内存利用率。 分配位图是伙伴系统的重要组成部分，它用来跟踪内存块的状态。每个大小的块池都有一个对应的位图，位图中的每一位代表一对内存块的空闲或已分配状态。位图的更新遵循特定规则，如位图为0表示两块内存都空闲或都被分配，位图为1则表示其中一块已被分配。位图大小仅与总内存相关，与当前块池的空闲内存无关。 数据结构在内存管理中扮演着关键角色。在NUMA（Non-Uniform Memory Access）配置下，每个页面都有一个`struct page`描述符，包含了页面的标志、引用计数、映射计数、私有数据以及与其他数据结构的链接。`mem_map`数组存储了所有可管理的物理页面信息。此外，还有管理区（zone）的概念，考虑到老的ISA设备只能访问前16MB的内存，Linux将物理内存划分为不同的区域，比如DMA区，正常区等，以适应各种设备的需求。 在内存分配过程中，`alloc_pages()`和`alloc_page()`函数用于分配大内存，而`free_pages()`和`free_page()`负责释放内存。这些函数通过遍历和操作分配位图，以及维护伙伴关系，实现内存的高效管理。 Linux的内存管理系统通过伙伴系统和精心设计的数据结构，实现了快速、低碎片的大内存分配和释放，保证了系统的稳定性和性能。这种设计对于现代多任务、多用户的服务器和嵌入式系统至关重要。然而，内存管理也是一项复杂的工作，需要考虑到诸如内存页的迁移、缓存管理、物理地址与虚拟地址的映射等多种因素。理解和掌握Linux内存管理的原理和实践，对于优化系统性能、解决内存相关问题具有重要的价值。