内存是如何分配的
在 Linux 中，内存管理是由 内存管理子系统（Memory Management Subsystem） 负责的，涉及多个层次的分配机制，包括 物理内存管理、虚拟内存管理、页管理、缓存管理 等。下面是 Linux 内存分配的主要机制：
1. 物理内存管理
Linux 物理内存管理基于 分页（Paging） 机制，而不是分段（Segmentation）。主要机制包括：
1.1 页（Page）和页帧（Page Frame）
- Linux 默认使用 4KB 页（也支持大页，如 HugePages）。
- 物理内存被划分为固定大小的页帧（Page Frame），每个页帧通常是 4KB。
- 页帧由 伙伴系统（Buddy System） 进行管理。
1.2 伙伴系统（Buddy System）
- 伙伴系统用于管理 连续的空闲内存块，提高分配和合并效率。
- 它将物理内存分成 2^n 大小的块，并尽可能合并相邻的空闲块，以减少内存碎片。
2. 虚拟内存管理
Linux 采用 虚拟地址到物理地址映射（VA → PA），并使用 页表（Page Table） 来管理虚拟地址。
2.1 地址空间
- 用户态地址空间（User Space）：通常是 0x0000000000000000 - 0x00007FFFFFFFFFFF（48-bit）。
- 内核态地址空间（Kernel Space）：通常是 0xFFFF800000000000 - 0xFFFFFFFFFFFFFFFF（高地址）。
2.2 页表（Page Table）
Linux 采用 多级页表（4 级/5 级） 来减少内存开销： - PGD（Page Global Directory） - PUD（Page Upper Directory） - PMD（Page Middle Directory） - PTE（Page Table Entry）
映射关系：虚拟地址 → 物理地址
3. 内存分配机制
3.1 用户态内存分配
3.1.1 malloc() & brk()/mmap()
malloc()申请内存时，可能调用brk()或mmap()：brk()：扩展 堆（Heap）。mmap()：映射大块内存到虚拟地址空间（用于大内存分配）。
3.1.2 进程堆栈
- 栈（Stack）：自动管理，函数调用时分配局部变量，递归深度受栈大小限制。
- 堆（Heap）：由
malloc()申请，由free()释放。
3.2 内核态内存分配
3.2.1 kmalloc()
- 内核的
malloc()，用于分配小块物理内存（通常小于 PAGE_SIZE）。 - 使用 Slab 分配器 进行管理（减少碎片）。
3.2.2 vmalloc()
- 分配 连续的虚拟内存（但可能是物理上不连续）。
- 用于分配大块内存（超过
PAGE_SIZE）。
3.2.3 alloc_pages()
- 直接调用 伙伴系统 分配 2^n 个页。
- 适用于驱动或 DMA 设备的物理页分配。
4. 内存回收
Linux 使用 页回收（Page Reclaim） 和 交换（Swap） 机制来优化内存使用：
4.1 页回收（Page Reclaim）
- 通过 LRU（Least Recently Used） 机制回收不常使用的页。
- 可回收的页：
- 文件页（File-backed Pages）：可以丢弃，因为可从磁盘重新加载。
- 匿名页（Anonymous Pages）：只能写入 Swap 才能回收。
4.2 交换（Swap）
- 当物理内存不足时，Linux 会将匿名页移到 Swap 分区或 Swap 文件中。
- Swap 机制有：
- swappiness（控制 Swap 频率，0 表示尽量不用 Swap，100 表示积极使用 Swap）。
- OOM Killer（当 Swap 也不足时，Linux 可能会杀掉进程）。
5. 常见的内存管理工具
free -h：查看内存使用情况（包括 Swap）。top/htop：监控进程的内存占用。vmstat：显示内存分配、Swap 统计等信息。slabtop：查看 Slab 分配器的使用情况。numactl --hardware：查看 NUMA 结构的内存分布。
6. 总结
| 机制 | 作用 |
|---|---|
| 伙伴系统 | 管理物理页帧，减少碎片 |
| Slab 分配器 | 管理小块内存，提高缓存效率 |
| 页表管理 | 实现虚拟地址到物理地址映射 |
| LRU 回收 | 回收不常用的内存页 |
| Swap | 交换不活跃的匿名页到磁盘 |