linux 記憶體管理筆記

最近看了一篇論文，覺得裡面對linux記憶體管理的講解還比較可以，就做了點筆記記錄下來。

使用者空間：

1.      使用malloc()函數在進程的堆上分配記憶體。

2.      Malloc()函數其實是調用brk()系統調用分配記憶體，該函數的作用是以頁面大小擴大或縮小堆空間，但分配的時候還是以位元組為單位進行分配，所以malloc()函數可以動態地分配記憶體大小。

實體記憶體管理：

1.      分頁機制（減少了外部片段）

2.      為了分配連續記憶體，降低TLB的重新整理率，採用“夥伴系統”管理實體記憶體（頁）。

3.      夥伴系統提供的兩個分配實體記憶體的函數：get_free_page()和get_free_pages()，前者只分配單頁，後者分配2n物理頁。

4.      在linux系統中每一頁實體記憶體用struct page描述，所有的物理頁儲存在一個全域數組中mem_map[]中，可以通過該數組尋找到所有的物理頁。

Slab：

1.      其實就是一個提前分配的記憶體池，裡面的記憶體是重複利用的，避免頻繁建立和銷毀帶來的開銷。

2.      建立在夥伴系統之上，可以很好利用硬體緩衝提高訪問速度。

3.      將夥伴系統提高的物理頁分成眾多小記憶體塊以供分配，用來滿足核心經常發生的對小於一頁的小記憶體配置（減少內部片段）。

4.      Kmem_cache_alloc()和kmem_cache_free()函數提供對核心專用對象（固定大小、結構體）的記憶體配置和銷毀。

5.      Kmalloc()分配小記憶體塊，記憶體配置粒度更靈活，可分配32~131072（128K）大小範圍的記憶體；kmalloc()分配的函數分配的空間被稱為核心邏輯地址，由於其是連續分配的，而且首地址一定，所以與物理地址的映射只需要減去一個固定的位移量（PAGE_OFFSET），其對應的頁表屬於核心頁表（swapper_pg_dir），在系統初始化時就已建立。

6.      Slab不僅為上面兩種記憶體配置保留了記憶體，而且還為DMA準備一部分記憶體。

核心非連續記憶體配置（Vmalloc）：

1.      將非連續的記憶體塊（頁）整合成大塊記憶體，用於分配（徹底消除外部片段）。

2.      借鑒了使用者空間分配的虛擬記憶體，記憶體邏輯上是連續的，但實際上實體記憶體並不一定是連續的；和使用者進程相似，核心也有一個名為init_mm的mm_struct結構來描述核心地址空間，其中頁表項pdg=swapper_pg_dir包含了系統核心空間的映射關係。

3.      可以分配很大的記憶體空間，最大可以將近1G（幾百M），但需要對核心虛擬位址重新對應，更新核心表，因此分配效率上要抵一些。

比較：

1.      vmalloc()和get_free_page()/kmalloc()分配的核心虛擬記憶體位於不同的區間。由get_free_page()和kmalloc()分配的連續記憶體都位於物理映射地區，而由vmalloc()分配的記憶體為與物理映射地區之後的高地址區。其位置分布如所示：

2.       kmalloc()和kmem_cache_alloc()的主要區別就是前者可以分配動態大小的記憶體，而後者不行，只能分配固定大小的記憶體。如果記憶體大小（常量）是固定的話，kmalloc()函數是調用kmem_cache_alloc()函數實現，所以基本沒區別。如果記憶體大小是變化的，就只能選kmalloc()了。總體來說，kmem_cache_alloc()分配效率要比kmalloc()高一些。

附1 使用者空間和核心空間記憶體映射原理圖