Linux 内核内存管理深度剖析

1. 内存管理概述

Linux 内核的内存管理系统是操作系统最复杂的子系统之一，负责高效地管理物理内存和虚拟内存。其主要功能包括：

• 物理内存管理
• 虚拟地址空间管理
• 内存分配与释放
• 内存映射
• 页面缓存
• 交换空间管理
• 内存回收

2. 物理内存管理

2.1 内存模型

Linux 支持三种内存模型：

1. 平坦内存模型(Flat Memory Model)：最简单的模型，所有内存被视为连续空间
2. 不连续内存模型(Discontiguous Memory Model)：用于有物理内存空洞的系统
3. 稀疏内存模型(Sparse Memory Model)：现代系统常用，支持热插拔内存

2.2 内存区域(Zone)

Linux 将物理内存划分为几个区域(zone)：

• ZONE_DMA：用于DMA操作的内存(<16MB)
• ZONE_DMA32：用于32位设备DMA操作的内存(<4GB)
• ZONE_NORMAL：正常映射的内存
• ZONE_HIGHMEM：高端内存(32位系统上>896MB)
• ZONE_MOVABLE：可移动内存区域(用于内存热插拔)

2.3 伙伴系统(Buddy System)

Linux 使用伙伴系统管理物理页面的分配和释放：

• 将空闲页面组织为11个链表，分别对应1,2,4,...,1024个连续页面块
• 分配时查找满足要求的最小块，如果找不到则分裂更大的块
• 释放时检查相邻块是否是"伙伴"(大小相同且物理连续)，如果是则合并

struct zone {
    ...
    struct free_area free_area[MAX_ORDER];
    ...
};

struct free_area {
    struct list_head free_list[MIGRATE_TYPES];
    unsigned long nr_free;
};

3. 虚拟内存管理

3.1 地址空间布局

32位系统典型布局：

0x00000000 - 0xC0000000 : 用户空间(3GB)
0xC0000000 - 0xFFFFFFFF : 内核空间(1GB)

64位系统典型布局：

0x0000000000000000 - 0x00007fffffffffff : 用户空间(128TB)
0xffff800000000000 - 0xffffffffffffffff : 内核空间(128TB)

3.2 页表管理

Linux 使用四级页表结构(64位系统)： 1. PGD (Page Global Directory) 2. P4D (Page 4th Level Directory) 3. PUD (Page Upper Directory) 4. PMD (Page Middle Directory) 5. PTE (Page Table Entry)

3.3 内存映射

内存映射通过mmap系统调用实现，有两种主要类型： - 文件映射：将文件内容映射到进程地址空间 - 匿名映射：分配不与文件关联的内存

4. 内存分配机制

4.1 页分配器(Page Allocator)

基于伙伴系统，提供以下接口： - alloc_pages：分配2^n个连续物理页 - __get_free_pages：分配并返回虚拟地址 - get_zeroed_page：分配清零的页

4.2 SLAB分配器

用于管理内核中小对象的分配，解决内部碎片问题。有三种实现： 1. SLAB：经典实现 2. SLUB：简化版，现代系统默认 3. SLOB：用于内存受限的系统

struct kmem_cache {
    struct array_cache *cpu_cache;  // 每CPU缓存
    unsigned int size;              // 对象大小
    unsigned int objsize;           // 实际对象大小
    unsigned int offset;            // 空闲指针偏移
    struct kmem_cache_node *node[MAX_NUMNODES];  // 节点缓存
    ...
};

4.3 vmalloc

分配虚拟地址连续但物理地址不一定连续的内存，用于大块内存分配。

5. 内存回收机制

5.1 页面缓存(Page Cache)

Linux 使用页面缓存来缓存文件数据，主要特点： - 使用radix树高效索引 - 采用写回(writeback)策略 - 支持预读(readahead)

5.2 交换(Swap)

当物理内存不足时，将不常用的页面换出到交换空间： - 使用交换区(swap area)存储换出页面 - 每个交换区由多个4K的页槽(page slot)组成 - 使用交换缓存(swap cache)管理换入换出

5.3 内存回收策略

1. 直接回收：当分配失败时同步回收
2. 后台回收(kswapd)：内核线程定期回收
3. OOM Killer：极端情况下终止进程释放内存

回收算法基于LRU(最近最少使用)改进，分为： - 活跃链表(active list) - 非活跃链表(inactive list)

6. 高级特性

6.1 透明大页(THP)

自动将普通页(4K)合并为大页(2M)，减少TLB失效，提高性能。

6.2 内存压缩(zswap/zsmalloc)

在内存回收前尝试压缩页面，减少交换I/O。

6.3 内存热插拔

支持运行时添加或移除内存模块。

6.4 Control Groups内存控制

通过cgroups限制和监控进程组的内存使用。

7. 性能调优参数

重要/proc/sys/vm参数： - swappiness：交换倾向(0-100) - vfs_cache_pressure：回收inode/dentry缓存倾向 - dirty_ratio/dirty_background_ratio：脏页比例阈值 - min_free_kbytes：最小保留内存 - zone_reclaim_mode：内存区域回收策略

8. 内存问题诊断工具

1. free：查看内存使用概况
2. vmstat：监控内存、交换、I/O等
3. top/htop：进程内存使用
4. pmap：进程地址空间分析
5. slabtop：SLAB分配器使用情况
6. numastat：NUMA内存统计
7. perf：内存相关性能分析

9. 总结

Linux 内存管理系统是一个高度优化的复杂子系统，它通过多种机制和算法在以下方面取得平衡： - 性能(减少碎片、提高缓存命中率) - 可靠性(防止内存耗尽) - 灵活性(支持多种硬件架构) - 可扩展性(从小型嵌入式系统到大型服务器)

理解Linux内存管理机制对于系统调优、性能分析和问题诊断至关重要。随着硬件发展和新需求出现，Linux内存管理仍在不断演进，如对非易失性内存(NVM)的支持、更智能的回收算法等。