物理內存管理

頁面內存管理

Linux把物理內存劃分為若干個大小相同(通常是4k)的頁面，每個頁面使用struct page描述，在內核初始化時會根據物理內存大小和頁面大小，初始化一個struct page數組mem_map[]對系統中所有的頁面進行統一管理。

物理頁面描述

使用Node，Zone，Page三級結構進行管理。

對于NUMA計算機，有多個Node，非NUMA計算機則只有一個Node。

每個Node中有3個Zone，分別為DMA，Normal和HighMem(有的還有DMA32等其他Zone，不是必須，有的有特殊用途，此處忽略)。在32位CPU中，DMA為從3G開始的16M地址空間，Normal為接下來的880M地址空間，HighMem為最后的128M地址空間。在64位CPU中，由于目前只用了48位地址，共256T地址空間，內核態占用高128T地址空間，所有物理內存都可以被映射到內核，所以沒有HighMem Zone(其實也是有的，只是跟32位的有區別)。

Page是內核物理內存管理的最小單位，包含各種該頁面內存的狀態信息，分配狀況等。

物理頁面分配

使用Buddy，以2的N次方個頁面為單位進行內存分配，主要解決外部碎片問題。

物理頁面回收

回收類型

內存中并非所有物理頁面都是可以進行回收的，內核占用的頁不會被換出，只有與用戶空間建立了映射關系的物理頁面才會被換出?？偟膩碚f，以下這些種物理頁面可以被 Linux 操作系統回收：

進程映射所占的頁面，包括代碼段，數據段，堆棧以及動態分配的“存儲堆”( malloc 分配的)。

用戶空間中通過 mmap()把文件內容映射到內存所占的頁面。

匿名頁面(沒有映射到文件的都是匿名映射，用戶空間的堆和棧)：進程用戶模式下的堆棧以及是使用 mmap 匿名映射的內存區(共享內存 區)。注：堆棧所占頁面一般不被換出。

特殊的用于 slab 分配器的緩存，比如用于緩存文件目錄結構 dentry 的 cache，以及用于緩存索引節點 inode 的 cache

tmpfs 文件系統使用的頁。

回收時機

周期性的檢查：這是由后臺運行的守護進程 kswapd 完成的。該進程定期檢查當前系統的內存使用情況，當發現系統內空閑的物理頁面數目少于特定的閾值時，該進程就會發起頁面回收的操作。

“內存嚴重不足”事件的觸發：在某些情況下，比如，操作系統忽然需要通過伙伴系統為用戶進程分配一大塊內存，或者需要創建一個很大的緩沖區，而當時系統中 的內存沒有辦法提供足夠多的物理內存以滿足這種內存請求，這時候，操作系統就必須盡快進行頁面回收操作，以便釋放出一些內存空間從而滿足上述的內存請求。 這種頁面回收方式也被稱作“直接頁面回收”。

swap內存管理

在低速磁盤上選定一塊空間，以頁面大小(通常是4k)為單位劃分空間(開頭還有4k的swap分區描述結構)，以頁面為單位進行管理。

虛擬內存管理

內核態虛擬內存管理

內核態虛擬內存分配

使用slab分配器(嵌入式系統使用輕量級slub分配器，大型服務器使用支持大量大內存分配的slob分配器)，主要解決外部碎片問題。

在此基礎上創建一系列的頁面緩存，比如task_struct，inode，file緩存。

kmalloc使用slab創建一系列以2的N次方大小為單位的頁面緩存進行內存分配，所以分配的內存的物理連續的，且地址空間位于Normal Zone。

vmalloc與vmalloc使用的分配方法稍有不同，分配的內存可能是屋里不連續的，且映射空間在HighMem Zone。

用戶態虛擬內存分配

malloc進行內存分配實際上是通過brk和mmap函數實現的，brk和mmap函數僅僅是在進程的task_struc中創建新的vma，以及為進程創建新的頁表，并未進行實際內存分配。

實際內存分配發生在當用戶初次訪問內存引起的缺頁中斷中，使用buddy分配器以頁面為單位進行分配。

頁面緩存管理

命名頁面，比如所有的文件或者塊設備所對應的頁面緩沖，也就是有后備存儲的緩沖。在Linux的所有文件或者塊設備的IO過程中，除了使用DirectIO方式之外，全部會使用內存進行緩沖。如果使用read/write方式，則會有塊緩沖，如果使用mmap方式，則會使用頁緩沖。在新版的Linux內核中，這二者已經融為一體，使用相同的不同的數據結構描述相同的數據頁面，且對于inode相同的文件或塊設備，其緩沖在整個內核中只有唯一的一份。

匿名頁面，比如用戶態分配的內存，無論是brk還是mmap分配，也就是沒有后備存儲的頁面。

在頁面回收時，對于命名頁面，如果為臟則陷入后備存儲后丟棄，對于匿名頁面，如果為臟則寫入swap存儲。

頁面緩存回收使用LRU2Q算法，將不常用的頁面釋放掉。

用戶態可以對命名頁面進行控制的函數

fadvise系列函數，控制緩存頁面的加載，丟棄。

mlock系列函數，鎖定或解鎖緩存頁面。

mincore函數， 查看命名頁面狀態。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的linux内存不足时缩减缓存,Linux内存及页面缓存管理概要总结的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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