Linux内存管理基本概念

1. 前言

内存（memory）在Linux系统中是一种牵涉面极广的资源，上至应用程序、下至kernel和driver，无不为之魂牵梦绕。加上它天然的稀缺性，导致内存管理（Memory Management，简称MM）是linux kernel中非常重要又非常复杂的一个子系统。

重要性就不多说了，Kernel自有分寸。关于复杂性（鉴于Linux kernel优秀的抽象能力），应该不会被普通人（Linux系统的使用者、应用工程师、驱动工程师、轻量级的内核工程师）感知到才对。事实确实如此，Kernel屏蔽掉了大多数的实现细节，尽量以简单、易用的方式向其它模块提供memory服务。

不过呢，这个世界上没有完美的存在，kernel的内存管理也是如此，由于两方面的原因：一、众口难调，内存管理有关的需求实在太复杂了；二、CPU、Device和Memory之间纠结的三角恋（参考下面图片），导致它也（不得不）提供了很多啰里啰唆的、不易理解的功能（困扰了很多从入门级到资深级的linux软件工程师）。

图片1 CPU, Device and Memory

基于上面的原因，本站内存管理子系统发布了很多分析文章，以帮助大家理解内存管理有关的概念。不过到目前为止，还缺少一篇索引类的文章，从整体出发，理解Kernel内存管理所需要面对的软硬件局面、所要解决的问题，以及各个内存管理子模块的功能和意义。这就是本文的目的。

2. 内存有关的需求总结

在嵌入式系统中，从需求的角度看内存，是非常简单的，可以总结为两大类（参考上面的图片1）：

1）CPU有访问内存的需求，包括从内存中取指、从内存中取数据、向内存中写数据。相应的数据流为：

CPU<-------------->MMU(Optional)<----------->Memory

2）其它外部设备有访问内存的需求，包括从内存“读取”数据、向内存“写入”数据。这里的“读取”和“写入”加了引号，是因为在大部分情况下，设备不像CPU那样有智能，不具备直接访问内存的能力。总结来说，设备有三种途径访问内存：

a）由CPU从中中转，数据流如下（本质上是CPU访问内存）：
Device<---------------->CPU<--------------------Memory

b）由第三方具有智能的模块（如DMA控制器）中转，数据流如下：
Device<----------->DMA Controller<--------->Memory

c）直接访问内存，数据流如下：
Device<---------->IOMMU(Optional)--------->Memory

那么Linux kernel的内存管理模块怎么理解并满足上面的需求呢？接下来我们将一一梳理。

3. 软件（Linux kernel内存管理模块）的角度看内存

3.1 CPU视角

我们先从CPU的需求说起（以当前具有MMU功能的嵌入式Linux平台为例），看看会向kernel的内存管理模块提出哪些需求。

⬛ 看到内存

关于内存以及内存管理，最初始的需求是：Linux kernel的核心代码（主要包括启动和内存管理），要能看到物理内存。

在MMU使能之前，该需求很容易满足。

但MMU使能之后、Kernel的内存管理机制ready之前，Kernel看到的是虚拟地址，此时需要一些简单且有效的机制，建立虚拟内存到物理内存的映射（可以是部分的映射，但要能够满足kenrel此时的需要）。

⬛ 管理内存

看到内存之后，下一步就是将它们管理起来。根据不同的内存形态（在物理地址上是否连续、是否具有NUMA内存、是否具有可拔插的内存、等等），可能有不同的管理模型和管理方法。

⬛ 向内核线程/用户进程提供服务

将内存管理起来之后，就可以向其它人（kernel的其它模块、内核线程、用户空间进程、等等）提供服务了，主要包括：
✓ 以虚拟地址（VA）的形式，为应用程序提供远大于物理内存的虚拟地址空间（Virtual Address Space）
✓ 每个进程都有独立的虚拟地址空间，不会相互影响，进而可提供非常好的内存保护（memory protection）
✓ 提供内存映射（Memory Mapping）机制，以便把物理内存、I/O空间、Kernel Image、文件等对象映射到相应进程的地址空间中，方便进程的访问
✓ 提供公平、高效的物理内存分配（Physical Memory Allocation）算法
✓ 提供进程间内存共享的方法（以虚拟内存的形式），也称作Shared Virtual Memory
✓ 等等

⬛ 更为高级的内存管理需求

欲望是无止境的，在内存管理模块提供了基础的内存服务之后，Linux系统（包括kernel线程和用户进程）已经可以正常work了，更为高级的需求也产生了，例如：
✓ 内存的热拔插（memory hotplug）
✓ 内存的size超过了虚拟地址可寻址的空间怎么办（high memory）
✓ 超大页（hugetlbpage）的支持
✓ 利用磁盘作为交换页以扩大可用内存（各种swap机制和算法）
✓ 在NUMA系统中通过移动物理页面位置的方法提升内存的访问效率（Page migration）
✓ 内存泄漏的检查
✓ 内存碎片的整理
✓ 内存不足时的处理（oom kill机制）
✓ 等等

3.2 Device视角

正常情况下，当软件活动只需要CPU参与时（例如简单的数学运算、图像处理等），上面3.1 所涉及内容已经足够了，无论是用户空间程序，还是内核空间程序，都可以欢快的运行了。

不过，当软件操作一些特殊的、可以以自己的方式访问memory的硬件设备的时候，麻烦就出现了：软件通过CPU视角获得memory，并不能直接被这些硬件设备访问。于是这些硬件设备就提出了需求：

内存管理模块需要为这些设备提供一些特殊的获取内存的接口，这些接口可以按照设备所期望的形式组织内存（因而可以被设备访问），也可以重新映射成CPU视角的形式，以便CPU可以访问。

这就是我们在编写设备驱动的时候会经常遇到的DMA mapping功能，其中DMA是Direct Memory Access的所需，表示（memory）可以被设备直接访问。

另外，在某些应用场景下，内存数据可能会在多个设备间流动，为了提高效率，不能为每个设备都提供一份拷贝，因此内存管理模块需要提供设备间内存共享（以及相互转换）的功能。

4. 软件结构

基于上面章节的需求，Linux kernel从虚拟内存（VM）、DMA mapping以及DMA buffer sharing三个角度，对内存进行管理，如下图所示：

图片2 VM、DMA mapping和DMA buffer sharing

其中VM是内存管理的主要模块，也是我们通常意义上所讲的狭义“内存管理”，代码主要分布在mm/以及arch/xxx/mm/两个目录下，其中arch/xxx/mm/*提供平台相关部分的实现，mm/*提供平台无关部分的实现。

DMA mapping是内存管理的辅助模块，注要提供dma_alloc_xxx（申请可供设备直接访问的内存----dma_addr）和dma_map_xxx（是在CPU视角的虚拟内存和dma_addr之间转换）两类接口。该模块的具体实现依赖于设备访问内存的方式，代码主要分别在drivers/base/*（通用实现）以及arch/xxx/mm/（平台相关的实现）。

最后是DMA buffer sharing的机制，用于在不同设备之间共享内存，一般包括两种方法：

传统的、利用CPU虚拟地址中转的方法，例如scatterlist；

dma buffer sharing framework，位于drivers/dma-buf/dma-buf.c中。      

有关这些模块的具体描述,本文后续的文章将会一一展开(有些已经有了),这里就先结束吧.