Linux内存管理：从基本概念到段页式转换

"Linux内存管理笔记" 在Linux操作系统中，内存管理是其核心功能之一，对于内核开发者来说，深入理解这一部分至关重要。本笔记主要涵盖了Linux内存管理的基础概念，包括物理地址、线性地址（虚拟地址）和逻辑地址的差异，以及段式管理和页式管理的原理。 1. 地址转换机制 - 物理地址：CPU访问内存时实际使用的地址，是硬件层面的地址。 - 线性地址（虚拟地址）：在32位系统中，它可以表示4GB的地址空间。线性地址是通过逻辑地址经过段式和页式管理转换而来。 - 逻辑地址：程序执行时使用的地址，由编译器生成。 - 地址转换：逻辑地址通过段管理转变为线性地址，然后线性地址再通过页管理转变为物理地址。 2. 段式管理 - 16位CPU采用段式管理扩展寻址能力，如Intel 8086，其地址线为20位，但寄存器只有16位，所以需要将内存分为多个逻辑段。 - 每个逻辑段的起始地址是16的倍数，最大容量为64KB。 - 物理地址由段地址和段内偏移量构成：PA = 段寄存器值 * 16 + 偏移量。 - 段寄存器保存段基地址，实际访问时需左移4位（相当于乘以16）。 3. 页式管理 - 页式管理是对线性地址进行分页，以实现内存的分页映射。在Linux中，每个页的大小通常是4KB。 - 线性地址被划分为页号和页内偏移，通过页表进行地址转换，找到对应的物理页框地址。 4. Linux内存管理子系统 - Linux内存管理包括内存分配、释放、交换（虚拟内存）、内存保护等功能。 - 页表和二级页表：Linux使用多级页表机制，32位系统通常使用两级页表，64位系统可能使用更多级别。 - 内存区域（zone）：Linux将内存划分为不同的区域，如DMA、Normal等，根据内存访问特性和硬件限制进行管理。 - slab分配器：用于高效地管理小块内存，如内核对象的分配。 - buddy系统：用于大块内存的分配和回收，以避免内存碎片。 5. 其他关键概念 - 物理内存和交换空间：Linux可以使用硬盘空间作为交换空间，当物理内存不足时，将不常用的数据移到硬盘上，腾出物理内存给活跃进程使用。 - 伙伴系统和slab缓存都是内存分配策略，前者处理大块内存，后者处理小对象的内存分配。 - 内存页面状态：如PTE（Page Table Entry）中的P（Present）、U（User）、R/W（读写权限）等标志，控制内存的访问权限和状态。 了解这些基本概念，有助于理解Linux内核如何高效、安全地管理内存，对于内核开发和系统优化具有重要意义。在实际工作中，理解内存管理机制可以帮助解决性能问题，避免内存泄漏，并优化应用程序的内存使用。