Linux内存管理

1、页

内核将物理页作为内存管理的基本单位。从虚拟内存的角度看，页是最小的单位。在不同的计算机体系结构中，页的大小不尽相同。32位系统支持4KB的页，而64位系统则会支持8KB的页。

内核用struct page结构来表示系统中的每个物理页。其中包括了物理页的引用计数、物理页的状态，如是否为脏页，是否被锁定等。其中virtual表示页的虚拟地址。通常情况下它就是页在虚拟内存中的地址。page结构与物理页相关，而并非与虚拟页相关。内核仅仅用这个结构来描述此刻在相关的物理页中存放的东西。这种结构的目的在于描述物理内存本身而非其中的数据。

2、区

由于硬件的限制，内核将页划分为不同的区。内核使用区对具有相似性的页进行分组。Linux必须处理如下两种由于硬件存在缺陷而引起的内存寻址问题。1）一些硬件只能用某些特定的内存地址来执行DMA；2）一些体系结构的内存的物理寻址范围比虚拟寻址范围大得多，这样就有一些内存不能永久映射到内核空间上。Linux只要使用了如下四种区：1)ZONE_DMA：这个区包含的页能用来执行DMA操作。2)ZONE_DMA32：和ZONE_DMA不同之处在于，这些页面能够被32位设备访问。在某些体系机构中，该区将比ZONE_DMA更大。3)ZONE_NORMAL：这个区包含的都是能够正常映射的页。4)ZONE_HIGHMEM：这个区包含“高端内存”，其中的页并不能永久映射到内核地址空间。

内核对于页不同区的划分没有任何物理意义，只是内核为了管理页而采用的一种逻辑分组。某些分配可能需要从特定的区中获得页，而另外一些分配则可以从多个区中获得页，但不能同时从两个区分配，因为分配是不能跨区界限的。不是所有的体系结构都定义了全部区，如x86-64体系结构中没有ZONE_HIGHMEM区，所有物理内存都处于ZONE_DMA和ZONE_NORMAL。

3、slab层

在系统中为了便于数据的频繁分配和回收多使用空闲链表，空闲链表包含可供使用的、已经分配好的数据结构块。当代码需要使用一个新的数据结构实例时，就可以从空闲链表中抓取一个，而不需要分配内存，再把数据放进去。当不再需要这个数据结构实例时，就将它放回到空闲链表，而不是释放。在内核中，空闲链表一个主要问题是不能全局控制。当可用内存变得紧缺时，内核无法通知每个空闲链表让其收缩缓存大小以便释放一些内存。实际上，内核根本不知道存在任何空闲链表。

slab层将不同的对象划分为所谓高速缓存组，让每个高速缓存组都存放不同类型的对象。每种对象类型对应一个高速缓存。之后，这些高速缓存又被划分为slab，slab由一个或者多个物理上连续的页组成。每个高速缓存可以由多个slab组成。每个slab都包含一些对象成员，处于三种状态之一：满、部分满或者空。当内核的某一部分需要一个新的对象时，先从部分满的slab进行分配，如果没有部分满的slab，就从空的slab中进行分配。如果没有空的slab，就要创建一个slab。

slab层的管理是在每个高速缓存的基础上，通过提供给整个内核一个简单的接口来完成的。通过接口就可以创建和撤销新的高速缓存，并在高速缓存内分配和释放对象。