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Linux内存管理详解

1. Linux内存管理中的关键结构体与数组

Linux内存管理是操作系统的核心部分之一，涉及多个重要的结构体和数组。以下是几个关键的结构体及其作用：

• page：

  每个page结构体包含以下字段：
  • flags：一组标志位，用于表示页框所在的管理区。
  • _count：表示该页被引用的次数。
  • _mapcount：表示页框中页表项的数量（若为-1则表示无页表项）。
  • lru：管理页的忙碌或空闲链表，保护区中通过zone->lru_lock锁定。

• zone：

  区管理内存，包含以下字段：
  • free_area：用于标识空闲页框的数组，采用“伙伴系统”实现。
  • zone_pgdat：区的一些属性信息，如指向各个node_zone指针。
  • zone_start_pfn：区在mem_map中的起始页框号。

• pglist_data：

  包含节点管理区描述符数组node_zones，以及zonelist数据结构，用于页分配器的管理。

• mem_map：

  用于内核虚拟地址与物理内存的映射，初始化通过free_area_init_node()和alloc_node_mem_map()完成。

2. 各结构体之间的关系

Linux内存管理结构具有高度的层次性和依赖性，主要包括以下关系：

• zone：是内存管理的基本单位，包含多个free_area。
• pglist_data：描述节点中的管理区和zonelist，为zone管理提供支持。
• mem_map：将内核虚拟地址与物理内存映射一一对应。

通过这些结构体，内核能够高效地管理物理内存和虚拟地址，实现内存的分配与释放。

3. 主要的内存分配函数

Linux内存分配主要通过以下函数实现：

• vmalloc：

  • 优先使用高端物理内存，但性能上存在一定的开销。
  • 分配的物理页不会被交换。
  • 适用于需要大块连续内存的场景。

• kmalloc：

  • 分配的内核虚拟地址与物理地址存在偏移（如0xC000_0000）。
  • 适用于需要连续物理内存的场景，支持GFP_KERNEL和GFP_ATOMIC等标志位。
  • 基于伙伴系统实现，具有较好的性能表现。

• kmap：

  • 用于高端物理内存的映射，通常用于设备驱动。
  • 不支持睡眠，适用于不需要频繁释放的场景。

• get_user_pages：

  • 用于从用户空间获取缓冲区地址，适用于大数据量的DMA操作。

4. 内存管理的其他特性

• gfp_mask：

  用于控制内存分配的行为、区和类型修饰。
  • 行为修饰：如GPF_WAIT（允许睡眠）、GPF_IO（允许启动磁盘操作）。
  • 区修饰：指定内存分配的区。
  • 类型修饰：如GFP_KERNEL（内核内存）、GFP_IO（设备内存）。

• migrate_type：

  定义了伙伴系统中页面的迁移类型，用于优化内存碎片。
  • MIGRATE_UNMOVABLE：不可迁移的页面。
  • MIGRATE_RECLAIMABLE：可迁移的页面。
  • MIGRATE_MOVABLE：易于迁移的页面。

5. 用户空间进程内存管理

在用户空间中，内核通过task_struct、mm_struct和vm_area_struct等结构体管理进程内存：

• task_struct：表示一个进程，包含内存管理指针mm。
• mm_struct：表示进程的内存管理，包含多个vm_area_struct。
• vm_area_struct：表示一个虚拟地址区域，包含vm_start和vm_end等字段。

6. 虚拟地址的确定

内核通过mem_map将内核虚拟地址与物理内存映射一一对应。虚拟地址的确定主要由编译器完成：

• 编译器将用户程序的虚拟地址分配到0-3G范围。
• 内核根据mem_map查找对应的物理地址进行操作。

7. 内核内存管理的核心结构

内核内存管理的核心结构包括：

• page：表示一个物理内存页。
• zone：表示内存管理的逻辑区。
• mem_map：表示内核虚拟地址与物理内存的映射。
• pglist_data：协调多个zone和mem_map的管理。

这些结构体通过伙伴系统和zone管理实现高效的内存分配与释放。

8. 用户空间malloc的实现

用户空间的malloc实现依赖于内核的内存分配功能，通常通过以下步骤完成：

通过这些步骤，用户程序能够获取所需的内存块。

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