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linux内存管理梳理

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firego

修改于 2025-12-21 15:31:17

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linux内存管理之内存寻址总结记录

文章被收录于专栏：linux内核linux内核

原创声明：本文系作者授权腾讯云开发者社区发表，未经许可，不得转载。

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1. 内存寻址
- 1.1 内存寻址的核心地址类型
  - 1.1.1 虚拟地址
  - 1.1.2. 物理地址
  - 1.1.3. 总线地址
- 1.2. 内存寻址的硬件基础
  - 1.2.1. MMU（内存管理单元）
  - 1.2.2.TLB（地址转换缓存）
- 1.3. 内存分页
  - 1.3.1. 页（Page）与页框（Page Frame）
  - 1.3.2. 页表（Page Table）
  - 1.3.3. 页内偏移（Offset）
  - 1.3.4. 多级页表原因
    - 1.3.4.1. 单级页表的内存浪费困境（以 32 位系统为例）
    - 1.3.4.2. 多级页表的优化逻辑：“按需分配页表项”
    - 1.3.4.3. 64 位系统的 “救命稻草”：多级页表是唯一可行方案
- 4. 地址转换的核心流程：从虚拟地址到物理地址
  - 4.1. 虚拟地址拆分（48 位）
  - 4.2. 页表结构与转换步骤
  - 4.3. 32 位系统的简化转换（以 x86 为例）
- 5. Linux 内核的特殊寻址机制
  - 5.1. 内核地址空间的线性映射（DIRECT MAP）
  - 5.2. 高端内存寻址（HIGHMEM）
  - 5.3. 巨页寻址（HugePage）
  - 5.4. DMA 寻址
- 6. 寻址异常与处理
  - 6.1. 页错误（Page Fault）
  - 6.2. TLB 缺失（TLB Miss）

2. 物理内存管理
- 2.1. 核心前提
- 2.2. 分层管理架构
  - 2.2.1. 伙伴系统（Buddy）
    - 1）工作原理
    - 2）适用场景
  - 2.2.2. slab 分配器
    - 1）工作原理
    - 2）衍生版本
    - 3）适用场景
  - 2.2.3. vmalloc 分配器
- 2.3. 关键辅助机制
  - 2.3.1. 内存映射
  - 2.3.2. 内存回收
  - 2.3.3. 交换分区
  - 2.3.4. 内存压缩
- 2.4. 特殊场景优化

3. 虚拟内存管理
- 3.1. 虚拟内存空间划分
- 3.2. 内核线性空间布局
- 3.3. 用户线性空间布局

4.内存申请与回收
- 4.1. brk与mmap
  - 4.1.1. 性能取舍：brk 极致高效，mmap 灵活但开销高
  - 4.1.2. 地址特征取舍：brk 连续，mmap 离散
  - 4.1.3. 回收策略取舍：brk 惰性回收，mmap 即时回收
  - 4.1.4. 功能取舍：brk 极简，mmap 全能
- 4.2. glibc缓存(malloc)
  - 缓存结构：
  - 申请与释放流程
- 4.3. 内存碎片
  - 4.3.1. 内部碎片（Internal Fragmentation）
    - 核心定义
    - 产生原因
    - 关键特征
  - 4.3.2. 外部碎片（External Fragmentation）
    - 核心定义
    - 产生原因
    - 关键特征
  - 4.3.3. 碎片增长趋势