看完這篇，別再說(shuō)你不懂 Linux 內(nèi)存管理了
對(duì)于精通 CURD 的業(yè)務(wù)同學(xué)，內(nèi)存管理好像離我們很遠(yuǎn)，但這個(gè)知識(shí)點(diǎn)雖然冷門（估計(jì)很多人學(xué)完根本就沒(méi)機(jī)會(huì)用上）但絕對(duì)是基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)。
這就像武俠小說(shuō)中的內(nèi)功修煉，學(xué)完之后看不到立竿見(jiàn)影的效果，但對(duì)你日后的開(kāi)發(fā)工作是大有裨益的，因?yàn)槟阏镜母吡恕?/p>
文中所有示例圖都是我親手畫的，畫圖比碼字還費(fèi)時(shí)間，但大家看圖理解比文字更直觀，所以還是畫了。需要高清示例圖片的同學(xué)，文末有獲取方式自取。
再功利點(diǎn)的說(shuō)，面試的時(shí)候不經(jīng)意間透露你懂這方面知識(shí)，并且能說(shuō)出個(gè)一二三來(lái)，也許能讓面試官對(duì)你更有興趣，離升職加薪，走上人生巔峰又近了一步。
前提約定：本文討論技術(shù)內(nèi)容前提，操作系統(tǒng)環(huán)境都是 x86架構(gòu)的 32 位 Linux系統(tǒng)。
虛擬地址
即使是現(xiàn)代操作系統(tǒng)中，內(nèi)存依然是計(jì)算機(jī)中很寶貴的資源，看看你電腦幾個(gè)T固態(tài)硬盤，再看看內(nèi)存大小就知道了。
為了充分利用和管理系統(tǒng)內(nèi)存資源，Linux采用虛擬內(nèi)存管理技術(shù)，利用虛擬內(nèi)存技術(shù)讓每個(gè)進(jìn)程都有4GB 互不干涉的虛擬地址空間。
進(jìn)程初始化分配和操作的都是基于這個(gè)「虛擬地址」，只有當(dāng)進(jìn)程需要實(shí)際訪問(wèn)內(nèi)存資源的時(shí)候才會(huì)建立虛擬地址和物理地址的映射，調(diào)入物理內(nèi)存頁(yè)。
打個(gè)不是很恰當(dāng)?shù)谋确剑@個(gè)原理其實(shí)和現(xiàn)在的某某網(wǎng)盤一樣。假如你的網(wǎng)盤空間是1TB，真以為就一口氣給了你這么大空間嗎？那還是太年輕，都是在你往里面放東西的時(shí)候才給你分配空間，你放多少就分多少實(shí)際空間給你，但你和你朋友看起來(lái)就像大家都擁有1TB空間一樣。
虛擬地址的好處
- 避免用戶直接訪問(wèn)物理內(nèi)存地址，防止一些破壞性操作，保護(hù)操作系統(tǒng)
- 每個(gè)進(jìn)程都被分配了4GB的虛擬內(nèi)存，用戶程序可使用比實(shí)際物理內(nèi)存更大的地址空間
4GB 的進(jìn)程虛擬地址空間被分成兩部分：「用戶空間」和「內(nèi)核空間」
用戶空間內(nèi)核空間
物理地址
上面章節(jié)我們已經(jīng)知道不管是用戶空間還是內(nèi)核空間，使用的地址都是虛擬地址，當(dāng)需進(jìn)程要實(shí)際訪問(wèn)內(nèi)存的時(shí)候，會(huì)由內(nèi)核的「請(qǐng)求分頁(yè)機(jī)制」產(chǎn)生「缺頁(yè)異常」調(diào)入物理內(nèi)存頁(yè)。
把虛擬地址轉(zhuǎn)換成內(nèi)存的物理地址，這中間涉及利用MMU 內(nèi)存管理單元（Memory Management Unit ) 對(duì)虛擬地址分段和分頁(yè)（段頁(yè)式）地址轉(zhuǎn)換，關(guān)于分段和分頁(yè)的具體流程，這里不再贅述，可以參考任何一本計(jì)算機(jī)組成原理教材描述。
段頁(yè)式內(nèi)存管理地址轉(zhuǎn)換
Linux 內(nèi)核會(huì)將物理內(nèi)存分為3個(gè)管理區(qū)，分別是：
ZONE_DMA
DMA內(nèi)存區(qū)域。包含0MB~16MB之間的內(nèi)存頁(yè)框，可以由老式基于ISA的設(shè)備通過(guò)DMA使用，直接映射到內(nèi)核的地址空間。
ZONE_NORMAL
普通內(nèi)存區(qū)域。包含16MB~896MB之間的內(nèi)存頁(yè)框，常規(guī)頁(yè)框，直接映射到內(nèi)核的地址空間。
ZONE_HIGHMEM
高端內(nèi)存區(qū)域。包含896MB以上的內(nèi)存頁(yè)框，不進(jìn)行直接映射，可以通過(guò)永久映射和臨時(shí)映射進(jìn)行這部分內(nèi)存頁(yè)框的訪問(wèn)。
物理內(nèi)存區(qū)劃分
用戶空間
用戶進(jìn)程能訪問(wèn)的是「用戶空間」，每個(gè)進(jìn)程都有自己獨(dú)立的用戶空間，虛擬地址范圍從從 0x00000000 至 0xBFFFFFFF 總?cè)萘?G 。
用戶進(jìn)程通常只能訪問(wèn)用戶空間的虛擬地址，只有在執(zhí)行內(nèi)陷操作或系統(tǒng)調(diào)用時(shí)才能訪問(wèn)內(nèi)核空間。
進(jìn)程與內(nèi)存
進(jìn)程（執(zhí)行的程序）占用的用戶空間按照「 訪問(wèn)屬性一致的地址空間存放在一起 」的原則，劃分成 5個(gè)不同的內(nèi)存區(qū)域。訪問(wèn)屬性指的是“可讀、可寫、可執(zhí)行等 。
- 代碼段
代碼段是用來(lái)存放可執(zhí)行文件的操作指令，可執(zhí)行程序在內(nèi)存中的鏡像。代碼段需要防止在運(yùn)行時(shí)被非法修改，所以只準(zhǔn)許讀取操作，它是不可寫的。
- 數(shù)據(jù)段
數(shù)據(jù)段用來(lái)存放可執(zhí)行文件中已初始化全局變量，換句話說(shuō)就是存放程序靜態(tài)分配的變量和全局變量。
- BSS段
BSS段包含了程序中未初始化的全局變量，在內(nèi)存中 bss 段全部置零。
- 堆 heap
堆是用于存放進(jìn)程運(yùn)行中被動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存段，它的大小并不固定，可動(dòng)態(tài)擴(kuò)張或縮減。當(dāng)進(jìn)程調(diào)用malloc等函數(shù)分配內(nèi)存時(shí)，新分配的內(nèi)存就被動(dòng)態(tài)添加到堆上（堆被擴(kuò)張）；當(dāng)利用free等函數(shù)釋放內(nèi)存時(shí)，被釋放的內(nèi)存從堆中被剔除（堆被縮減）
- 棧 stack
棧是用戶存放程序臨時(shí)創(chuàng)建的局部變量，也就是函數(shù)中定義的變量（但不包括 static 聲明的變量，static意味著在數(shù)據(jù)段中存放變量）。除此以外，在函數(shù)被調(diào)用時(shí)，其參數(shù)也會(huì)被壓入發(fā)起調(diào)用的進(jìn)程棧中，并且待到調(diào)用結(jié)束后，函數(shù)的返回值也會(huì)被存放回棧中。由于棧的先進(jìn)先出特點(diǎn)，所以棧特別方便用來(lái)保存/恢復(fù)調(diào)用現(xiàn)場(chǎng)。從這個(gè)意義上講，我們可以把堆?？闯梢粋€(gè)寄存、交換臨時(shí)數(shù)據(jù)的內(nèi)存區(qū)。
上述幾種內(nèi)存區(qū)域中數(shù)據(jù)段、BSS 段、堆通常是被連續(xù)存儲(chǔ)在內(nèi)存中，在位置上是連續(xù)的，而代碼段和棧往往會(huì)被獨(dú)立存放。堆和棧兩個(gè)區(qū)域在 i386 體系結(jié)構(gòu)中棧向下擴(kuò)展、堆向上擴(kuò)展，相對(duì)而生。
你也可以在linux下用size 命令查看編譯后程序的各個(gè)內(nèi)存區(qū)域大?。?/p>
- [lemon ~]# size /usr/local/sbin/sshd
- text data bss dec hex filename
- 1924532 12412 426896 2363840 2411c0 /usr/local/sbin/sshd
內(nèi)核空間
在 x86 32 位系統(tǒng)里，Linux 內(nèi)核地址空間是指虛擬地址從 0xC0000000 開(kāi)始到 0xFFFFFFFF 為止的高端內(nèi)存地址空間，總計(jì) 1G 的容量， 包括了內(nèi)核鏡像、物理頁(yè)面表、驅(qū)動(dòng)程序等運(yùn)行在內(nèi)核空間 。
內(nèi)核空間細(xì)分區(qū)域.
直接映射區(qū)
直接映射區(qū) Direct Memory Region：從內(nèi)核空間起始地址開(kāi)始，最大896M的內(nèi)核空間地址區(qū)間，為直接內(nèi)存映射區(qū)。
直接映射區(qū)的896MB的「線性地址」直接與「物理地址」的前896MB進(jìn)行映射，也就是說(shuō)線性地址和分配的物理地址都是連續(xù)的。內(nèi)核地址空間的線性地址0xC0000001所對(duì)應(yīng)的物理地址為0x00000001，它們之間相差一個(gè)偏移量PAGE_OFFSET = 0xC0000000
該區(qū)域的線性地址和物理地址存在線性轉(zhuǎn)換關(guān)系「線性地址 = PAGE_OFFSET + 物理地址」也可以用 virt_to_phys()函數(shù)將內(nèi)核虛擬空間中的線性地址轉(zhuǎn)化為物理地址。
高端內(nèi)存線性地址空間
內(nèi)核空間線性地址從 896M 到 1G 的區(qū)間，容量 128MB 的地址區(qū)間是高端內(nèi)存線性地址空間，為什么叫高端內(nèi)存線性地址空間？下面給你解釋一下：
前面已經(jīng)說(shuō)過(guò)，內(nèi)核空間的總大小 1GB，從內(nèi)核空間起始地址開(kāi)始的 896MB 的線性地址可以直接映射到物理地址大小為 896MB 的地址區(qū)間。
退一萬(wàn)步，即使內(nèi)核空間的1GB線性地址都映射到物理地址，那也最多只能尋址 1GB 大小的物理內(nèi)存地址范圍。
請(qǐng)問(wèn)你現(xiàn)在你家的內(nèi)存條多大？快醒醒都 0202 年了，一般 PC 的內(nèi)存都大于 1GB 了吧！
所以，內(nèi)核空間拿出了最后的 128M 地址區(qū)間，劃分成下面三個(gè)高端內(nèi)存映射區(qū)，以達(dá)到對(duì)整個(gè)物理地址范圍的尋址。而在 64 位的系統(tǒng)上就不存在這樣的問(wèn)題了，因?yàn)榭捎玫木€性地址空間遠(yuǎn)大于可安裝的內(nèi)存。
動(dòng)態(tài)內(nèi)存映射區(qū)
vmalloc Region 該區(qū)域由內(nèi)核函數(shù)vmalloc來(lái)分配，特點(diǎn)是：線性空間連續(xù)，但是對(duì)應(yīng)的物理地址空間不一定連續(xù)。vmalloc 分配的線性地址所對(duì)應(yīng)的物理頁(yè)可能處于低端內(nèi)存，也可能處于高端內(nèi)存。
永久內(nèi)存映射區(qū)
Persistent Kernel Mapping Region 該區(qū)域可訪問(wèn)高端內(nèi)存。訪問(wèn)方法是使用 alloc_page (_GFP_HIGHMEM) 分配高端內(nèi)存頁(yè)或者使用kmap函數(shù)將分配到的高端內(nèi)存映射到該區(qū)域。
固定映射區(qū)
Fixing kernel Mapping Region 該區(qū)域和 4G 的頂端只有 4k 的隔離帶，其每個(gè)地址項(xiàng)都服務(wù)于特定的用途，如 ACPI_BASE 等。
內(nèi)核空間物理內(nèi)存映射
回顧一下
上面講的有點(diǎn)多，先別著急進(jìn)入下一節(jié)，在這之前我們?cè)賮?lái)回顧一下上面所講的內(nèi)容。如果認(rèn)真看完上面的章節(jié)，我這里再畫了一張圖，現(xiàn)在你的腦海中應(yīng)該有這樣一個(gè)內(nèi)存管理的全局圖。
內(nèi)核空間用戶空間全圖
內(nèi)存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
要讓內(nèi)核管理系統(tǒng)中的虛擬內(nèi)存，必然要從中抽象出內(nèi)存管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，內(nèi)存管理操作如「分配、釋放等」都基于這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)操作，這里列舉兩個(gè)管理虛擬內(nèi)存區(qū)域的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
用戶空間內(nèi)存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
在前面「進(jìn)程與內(nèi)存」章節(jié)我們提到，Linux進(jìn)程可以劃分為 5 個(gè)不同的內(nèi)存區(qū)域，分別是：代碼段、數(shù)據(jù)段、BSS、堆、棧，內(nèi)核管理這些區(qū)域的方式是，將這些內(nèi)存區(qū)域抽象成vm_area_struct的內(nèi)存管理對(duì)象。
vm_area_struct是描述進(jìn)程地址空間的基本管理單元，一個(gè)進(jìn)程往往需要多個(gè)vm_area_struct來(lái)描述它的用戶空間虛擬地址，需要使用「鏈表」和「紅黑樹(shù)」來(lái)組織各個(gè)vm_area_struct。
鏈表用于需要遍歷全部節(jié)點(diǎn)的時(shí)候用，而紅黑樹(shù)適用于在地址空間中定位特定內(nèi)存區(qū)域。內(nèi)核為了內(nèi)存區(qū)域上的各種不同操作都能獲得高性能，所以同時(shí)使用了這兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
用戶空間進(jìn)程的地址管理模型：
wm_arem_struct
內(nèi)核空間動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
在內(nèi)核空間章節(jié)我們提到過(guò)「動(dòng)態(tài)內(nèi)存映射區(qū)」，該區(qū)域由內(nèi)核函數(shù)vmalloc來(lái)分配，特點(diǎn)是：線性空間連續(xù)，但是對(duì)應(yīng)的物理地址空間不一定連續(xù)。vmalloc 分配的線性地址所對(duì)應(yīng)的物理頁(yè)可能處于低端內(nèi)存，也可能處于高端內(nèi)存。
vmalloc 分配的地址則限于vmalloc_start與vmalloc_end之間。每一塊vmalloc分配的內(nèi)核虛擬內(nèi)存都對(duì)應(yīng)一個(gè)vm_struct結(jié)構(gòu)體，不同的內(nèi)核空間虛擬地址之間有4k大小的防越界空閑區(qū)間隔區(qū)。
與用戶空間的虛擬地址特性一樣，這些虛擬地址與物理內(nèi)存沒(méi)有簡(jiǎn)單的映射關(guān)系，必須通過(guò)內(nèi)核頁(yè)表才可轉(zhuǎn)換為物理地址或物理頁(yè)，它們有可能尚未被映射，當(dāng)發(fā)生缺頁(yè)時(shí)才真正分配物理頁(yè)面。
動(dòng)態(tài)內(nèi)存映射
前面分析了 Linux 內(nèi)存管理機(jī)制，下面深入學(xué)習(xí)物理內(nèi)存管理和虛擬內(nèi)存分配。
通過(guò)前面的學(xué)習(xí)我們知道，程序可沒(méi)這么好騙，任你內(nèi)存管理把虛擬地址空間玩出花來(lái)，到最后還是要給程序?qū)崒?shí)在在的物理內(nèi)存，不然程序就要罷工了。
所以物理內(nèi)存這么重要的資源一定要好好管理起來(lái)使用（物理內(nèi)存，就是你實(shí)實(shí)在在的內(nèi)存條），那么內(nèi)核是如何管理物理內(nèi)存的呢？
物理內(nèi)存管理
在Linux系統(tǒng)中通過(guò)分段和分頁(yè)機(jī)制，把物理內(nèi)存劃分 4K 大小的內(nèi)存頁(yè) Page（也稱作頁(yè)框Page Frame），物理內(nèi)存的分配和回收都是基于內(nèi)存頁(yè)進(jìn)行，把物理內(nèi)存分頁(yè)管理的好處大大的。
假如系統(tǒng)請(qǐng)求小塊內(nèi)存，可以預(yù)先分配一頁(yè)給它，避免了反復(fù)的申請(qǐng)和釋放小塊內(nèi)存帶來(lái)頻繁的系統(tǒng)開(kāi)銷。
假如系統(tǒng)需要大塊內(nèi)存，則可以用多頁(yè)內(nèi)存拼湊，而不必要求大塊連續(xù)內(nèi)存。你看不管內(nèi)存大小都能收放自如，分頁(yè)機(jī)制多么完美的解決方案！
But，理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)很骨感。如果就直接這樣把內(nèi)存分頁(yè)使用，不再加額外的管理還是存在一些問(wèn)題，下面我們來(lái)看下，系統(tǒng)在多次分配和釋放物理頁(yè)的時(shí)候會(huì)遇到哪些問(wèn)題。
物理頁(yè)管理面臨問(wèn)題
物理內(nèi)存頁(yè)分配會(huì)出現(xiàn)外部碎片和內(nèi)部碎片問(wèn)題，所謂的「內(nèi)部」和「外部」是針對(duì)「頁(yè)框內(nèi)外」而言，一個(gè)頁(yè)框內(nèi)的內(nèi)存碎片是內(nèi)部碎片，多個(gè)頁(yè)框間的碎片是外部碎片。
外部碎片
當(dāng)需要分配大塊內(nèi)存的時(shí)候，要用好幾頁(yè)組合起來(lái)才夠，而系統(tǒng)分配物理內(nèi)存頁(yè)的時(shí)候會(huì)盡量分配連續(xù)的內(nèi)存頁(yè)面，頻繁的分配與回收物理頁(yè)導(dǎo)致大量的小塊內(nèi)存夾雜在已分配頁(yè)面中間，形成外部碎片，舉個(gè)例子：
外部碎片
內(nèi)部碎片
物理內(nèi)存是按頁(yè)來(lái)分配的，這樣當(dāng)實(shí)際只需要很小內(nèi)存的時(shí)候，也會(huì)分配至少是 4K 大小的頁(yè)面，而內(nèi)核中有很多需要以字節(jié)為單位分配內(nèi)存的場(chǎng)景，這樣本來(lái)只想要幾個(gè)字節(jié)而已卻不得不分配一頁(yè)內(nèi)存，除去用掉的字節(jié)剩下的就形成了內(nèi)部碎片。
內(nèi)部碎片
頁(yè)面管理算法
方法總比困難多，因?yàn)榇嬖谏厦娴倪@些問(wèn)題，聰明的程序員靈機(jī)一動(dòng)，引入了頁(yè)面管理算法來(lái)解決上述的碎片問(wèn)題。
Buddy（伙伴）分配算法
Linux 內(nèi)核引入了伙伴系統(tǒng)算法（Buddy system），什么意思呢？就是把相同大小的頁(yè)框塊用鏈表串起來(lái)，頁(yè)框塊就像手拉手的好伙伴，也是這個(gè)算法名字的由來(lái)。
具體的，所有的空閑頁(yè)框分組為11個(gè)塊鏈表，每個(gè)塊鏈表分別包含大小為1，2，4，8，16，32，64，128，256，512和1024個(gè)連續(xù)頁(yè)框的頁(yè)框塊。最大可以申請(qǐng)1024個(gè)連續(xù)頁(yè)框，對(duì)應(yīng)4MB大小的連續(xù)內(nèi)存。
伙伴系統(tǒng)
因?yàn)槿魏握麛?shù)都可以由 2^n 的和組成，所以總能找到合適大小的內(nèi)存塊分配出去，減少了外部碎片產(chǎn)生 。
分配實(shí)例
比如：我需要申請(qǐng)4個(gè)頁(yè)框，但是長(zhǎng)度為4個(gè)連續(xù)頁(yè)框塊鏈表沒(méi)有空閑的頁(yè)框塊，伙伴系統(tǒng)會(huì)從連續(xù)8個(gè)頁(yè)框塊的鏈表獲取一個(gè)，并將其拆分為兩個(gè)連續(xù)4個(gè)頁(yè)框塊，取其中一個(gè)，另外一個(gè)放入連續(xù)4個(gè)頁(yè)框塊的空閑鏈表中。釋放的時(shí)候會(huì)檢查，釋放的這幾個(gè)頁(yè)框前后的頁(yè)框是否空閑，能否組成下一級(jí)長(zhǎng)度的塊。
命令查看
- [lemon]]# cat /proc/buddyinfo
- Node 0, zone DMA 1 0 0 0 2 1 1 0 1 1 3
- Node 0, zone DMA32 3198 4108 4940 4773 4030 2184 891 180 67 32 330
- Node 0, zone Normal 42438 37404 16035 4386 610 121 22 3 0 0 1
slab分配器
看到這里你可能會(huì)想，有了伙伴系統(tǒng)這下總可以管理好物理內(nèi)存了吧？不，還不夠，否則就沒(méi)有slab分配器什么事了。
那什么是slab分配器呢？
一般來(lái)說(shuō)，內(nèi)核對(duì)象的生命周期是這樣的：分配內(nèi)存-初始化-釋放內(nèi)存，內(nèi)核中有大量的小對(duì)象，比如文件描述結(jié)構(gòu)對(duì)象、任務(wù)描述結(jié)構(gòu)對(duì)象，如果按照伙伴系統(tǒng)按頁(yè)分配和釋放內(nèi)存，對(duì)小對(duì)象頻繁的執(zhí)行「分配內(nèi)存-初始化-釋放內(nèi)存」會(huì)非常消耗性能。
伙伴系統(tǒng)分配出去的內(nèi)存還是以頁(yè)框?yàn)閱挝?，而?duì)于內(nèi)核的很多場(chǎng)景都是分配小片內(nèi)存，遠(yuǎn)用不到一頁(yè)內(nèi)存大小的空間。slab分配器，「通過(guò)將內(nèi)存按使用對(duì)象不同再劃分成不同大小的空間」，應(yīng)用于內(nèi)核對(duì)象的緩存。
伙伴系統(tǒng)和slab不是二選一的關(guān)系，slab 內(nèi)存分配器是對(duì)伙伴分配算法的補(bǔ)充。
大白話說(shuō)原理
對(duì)于每個(gè)內(nèi)核中的相同類型的對(duì)象，如：task_struct、file_struct 等需要重復(fù)使用的小型內(nèi)核數(shù)據(jù)對(duì)象，都會(huì)有個(gè) slab 緩存池，緩存住大量常用的「已經(jīng)初始化」的對(duì)象，每當(dāng)要申請(qǐng)這種類型的對(duì)象時(shí)，就從緩存池的slab 列表中分配一個(gè)出去；而當(dāng)要釋放時(shí)，將其重新保存在該列表中，而不是直接返回給伙伴系統(tǒng)，從而避免內(nèi)部碎片，同時(shí)也大大提高了內(nèi)存分配性能。
主要優(yōu)點(diǎn)
- slab 內(nèi)存管理基于內(nèi)核小對(duì)象，不用每次都分配一頁(yè)內(nèi)存，充分利用內(nèi)存空間，避免內(nèi)部碎片。
- slab 對(duì)內(nèi)核中頻繁創(chuàng)建和釋放的小對(duì)象做緩存，重復(fù)利用一些相同的對(duì)象，減少內(nèi)存分配次數(shù)。
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
slab分配器
kmem_cache 是一個(gè)cache_chain 的鏈表組成節(jié)點(diǎn)，代表的是一個(gè)內(nèi)核中的相同類型的「對(duì)象高速緩存」，每個(gè)kmem_cache 通常是一段連續(xù)的內(nèi)存塊，包含了三種類型的 slabs 鏈表：
- slabs_full (完全分配的 slab 鏈表)
- slabs_partial (部分分配的slab 鏈表)
- slabs_empty ( 沒(méi)有被分配對(duì)象的slab 鏈表)
kmem_cache 中有個(gè)重要的結(jié)構(gòu)體 kmem_list3 包含了以上三個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的聲明。
kmem_list3 內(nèi)核源碼
slab 是slab 分配器的最小單位，在實(shí)現(xiàn)上一個(gè) slab 由一個(gè)或多個(gè)連續(xù)的物理頁(yè)組成（通常只有一頁(yè)）。單個(gè)slab可以在 slab 鏈表之間移動(dòng)，例如如果一個(gè)「半滿slabs_partial鏈表」被分配了對(duì)象后變滿了，就要從 slabs_partial 中刪除，同時(shí)插入到「全滿slabs_full鏈表」中去。內(nèi)核slab對(duì)象的分配過(guò)程是這樣的：
- 如果slabs_partial鏈表還有未分配的空間，分配對(duì)象，若分配之后變滿，移動(dòng) slab 到slabs_full 鏈表
- 如果slabs_partial鏈表沒(méi)有未分配的空間，進(jìn)入下一步
- 如果slabs_empty 鏈表還有未分配的空間，分配對(duì)象，同時(shí)移動(dòng)slab進(jìn)入slabs_partial鏈表
- 如果slabs_empty為空，請(qǐng)求伙伴系統(tǒng)分頁(yè)，創(chuàng)建一個(gè)新的空閑slab， 按步驟 3 分配對(duì)象
slab分配圖解
命令查看
上面說(shuō)的都是理論，比較抽象，動(dòng)動(dòng)手來(lái)看看系統(tǒng)中的 slab 吧！你可以通過(guò) cat /proc/slabinfo 命令，實(shí)際查看系統(tǒng)中slab 信息。
slabinfo查詢
slabtop 實(shí)時(shí)顯示內(nèi)核 slab 內(nèi)存緩存信息。
slabtop查詢
slab高速緩存的分類
slab高速緩存分為兩大類，「通用高速緩存」和「專用高速緩存」。
通用高速緩存
slab分配器中用 kmem_cache 來(lái)描述高速緩存的結(jié)構(gòu)，它本身也需要 slab 分配器對(duì)其進(jìn)行高速緩存。cache_cache 保存著對(duì)「高速緩存描述符的高速緩存」，是一種通用高速緩存，保存在cache_chain 鏈表中的第一個(gè)元素。
另外，slab 分配器所提供的小塊連續(xù)內(nèi)存的分配，也是通用高速緩存實(shí)現(xiàn)的。通用高速緩存所提供的對(duì)象具有幾何分布的大小，范圍為32到131072字節(jié)。內(nèi)核中提供了 kmalloc() 和 kfree() 兩個(gè)接口分別進(jìn)行內(nèi)存的申請(qǐng)和釋放。
專用高速緩存
內(nèi)核為專用高速緩存的申請(qǐng)和釋放提供了一套完整的接口，根據(jù)所傳入的參數(shù)為指定的對(duì)象分配slab緩存。
專用高速緩存的申請(qǐng)和釋放
kmem_cache_create() 用于對(duì)一個(gè)指定的對(duì)象創(chuàng)建高速緩存。它從 cache_cache 普通高速緩存中為新的專有緩存分配一個(gè)高速緩存描述符，并把這個(gè)描述符插入到高速緩存描述符形成的 cache_chain 鏈表中。kmem_cache_destory() 用于撤消和從 cache_chain 鏈表上刪除高速緩存。
slab的申請(qǐng)和釋放
slab 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在內(nèi)核中的定義，如下：
slab結(jié)構(gòu)體內(nèi)核代碼
kmem_cache_alloc() 在其參數(shù)所指定的高速緩存中分配一個(gè)slab，對(duì)應(yīng)的 kmem_cache_free() 在其參數(shù)所指定的高速緩存中釋放一個(gè)slab。
虛擬內(nèi)存分配
前面討論的都是對(duì)物理內(nèi)存的管理，Linux 通過(guò)虛擬內(nèi)存管理，欺騙了用戶程序假裝每個(gè)程序都有 4G 的虛擬內(nèi)存尋址空間（如果這里不懂我說(shuō)啥，建議回頭看下 別再說(shuō)你不懂Linux內(nèi)存管理了，10張圖給你安排的明明白白?。?。
所以我們來(lái)研究下虛擬內(nèi)存的分配，這里包括用戶空間虛擬內(nèi)存和內(nèi)核空間虛擬內(nèi)存。
注意，分配的虛擬內(nèi)存還沒(méi)有映射到物理內(nèi)存，只有當(dāng)訪問(wèn)申請(qǐng)的虛擬內(nèi)存時(shí)，才會(huì)發(fā)生缺頁(yè)異常，再通過(guò)上面介紹的伙伴系統(tǒng)和 slab 分配器申請(qǐng)物理內(nèi)存。
用戶空間內(nèi)存分配
malloc
malloc 用于申請(qǐng)用戶空間的虛擬內(nèi)存，當(dāng)申請(qǐng)小于 128KB 小內(nèi)存的時(shí)，malloc使用 sbrk或brk 分配內(nèi)存；當(dāng)申請(qǐng)大于 128KB 的內(nèi)存時(shí)，使用 mmap 函數(shù)申請(qǐng)內(nèi)存；
存在問(wèn)題
由于 brk/sbrk/mmap 屬于系統(tǒng)調(diào)用，如果每次申請(qǐng)內(nèi)存都要產(chǎn)生系統(tǒng)調(diào)用開(kāi)銷，cpu 在用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)之間頻繁切換，非常影響性能。
而且，堆是從低地址往高地址增長(zhǎng)，如果低地址的內(nèi)存沒(méi)有被釋放，高地址的內(nèi)存就不能被回收，容易產(chǎn)生內(nèi)存碎片。
解決
因此，malloc采用的是內(nèi)存池的實(shí)現(xiàn)方式，先申請(qǐng)一大塊內(nèi)存，然后將內(nèi)存分成不同大小的內(nèi)存塊，然后用戶申請(qǐng)內(nèi)存時(shí)，直接從內(nèi)存池中選擇一塊相近的內(nèi)存塊分配出去。
內(nèi)核空間內(nèi)存分配
在講內(nèi)核空間內(nèi)存分配之前，先來(lái)回顧一下內(nèi)核地址空間。kmalloc 和 vmalloc 分別用于分配不同映射區(qū)的虛擬內(nèi)存，看這張上次畫的圖：
內(nèi)核空間細(xì)分區(qū)域
kmalloc
kmalloc() 分配的虛擬地址范圍在內(nèi)核空間的「直接內(nèi)存映射區(qū)」。
按字節(jié)為單位虛擬內(nèi)存，一般用于分配小塊內(nèi)存，釋放內(nèi)存對(duì)應(yīng)于 kfree ，可以分配連續(xù)的物理內(nèi)存。函數(shù)原型在 <linux/kmalloc.h> 中聲明，一般情況下在驅(qū)動(dòng)程序中都是調(diào)用 kmalloc() 來(lái)給數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分配內(nèi)存 。
還記得前面說(shuō)的 slab 嗎？kmalloc 是基于slab 分配器的 ，同樣可以用cat /proc/slabinfo 命令，查看 kmalloc 相關(guān) slab 對(duì)象信息，下面的 kmalloc-8、kmalloc-16 等等就是基于slab分配的 kmalloc 高速緩存。
slabinfo-kmalloc
vmalloc
vmalloc 分配的虛擬地址區(qū)間，位于 vmalloc_start 與vmalloc_end 之間的「動(dòng)態(tài)內(nèi)存映射區(qū)」。
一般用分配大塊內(nèi)存，釋放內(nèi)存對(duì)應(yīng)于 vfree，分配的虛擬內(nèi)存地址連續(xù)，物理地址上不一定連續(xù)。函數(shù)原型在 <linux/vmalloc.h> 中聲明。一般用在為活動(dòng)的交換區(qū)分配數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，為某些 I/O 驅(qū)動(dòng)程序分配緩沖區(qū)，或?yàn)閮?nèi)核模塊分配空間。
下面的圖總結(jié)了上述兩種內(nèi)核空間虛擬內(nèi)存分配方式。
總結(jié)一下
Linux內(nèi)存管理是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，本文所述只是冰山一角，從宏觀角度給你展現(xiàn)內(nèi)存管理的全貌，但一般來(lái)說(shuō)，這些知識(shí)在你和面試官聊天的時(shí)候還是夠用的，當(dāng)然也希望大家能夠通過(guò)讀書了解更深層次的原理。
本文可以作為一個(gè)索引一樣的學(xué)習(xí)指南，當(dāng)你想深入某一點(diǎn)學(xué)習(xí)的時(shí)候可以在這些章節(jié)里找到切入點(diǎn)，以及這個(gè)知識(shí)點(diǎn)在內(nèi)存管理宏觀上的位置。
