Linux内存管理之全局框架

Linux内存管理之全局框架

Linux操作系统中的内存管理是操作系统核心功能之一，它负责管理计算机的物理内存资源，确保程序能够高效、稳定地运行。本文将介绍Linux内存管理的全局框架，包括内存分配、页面置换、虚拟内存等关键概念和机制。

1. 内存管理概述

Linux内存管理的核心目标是提供一种高效、稳定的内存分配机制，促使程序能够以最小的开销访问内存。为了实现这一目标，Linux内存管理采用了一系列错综的机制和算法。

2. 物理内存结构

物理内存是计算机中用于存储数据和指令的实际硬件设备。在Linux系统中，物理内存通常被划分为多个连续的内存块，每个内存块称为一个页面（Page）。页面的大小通常为4KB或8KB，这是由硬件和系统参数决定的。

3. 内存分配器

Linux内存分配器负责将物理内存分配给不同的进程和系统内核。它核心分为以下几个部分：

3.1. 静态内存分配

静态内存分配通常在编译时确定，例如全局变量、静态变量等。这部分内存由编译器负责分配，操作系统通常不参与管理。

3.2. 动态内存分配

动态内存分配在程序运行时进行，例如使用malloc、calloc等函数分配的内存。Linux动态内存分配器核心包括以下几种：

3.2.1. Buddy分配器

Buddy分配器是一种易懂而高效的内存分配算法，它将物理内存划分为多个大小不同的块，每个块都有一个伙伴（Buddy）。当需要分配内存时，分配器会查找合适的伙伴，将两个伙伴合并为一个更大的块，然后分配给请求者。释放内存时，分配器会尝试找到新的伙伴，将释放的块与伙伴合并，以缩减内存碎片。

struct Buddy {
    struct Buddy *next;
    unsigned long size;
    int free;
};

3.2.2. Slab分配器

Slab分配器是一种基于对象池的内存分配器，它将内存划分为多个大小相同的slab，每个slab包含多个相同类型的对象。Slab分配器通过重用已分配的对象来缩减内存碎片，并减成本时间内存分配快速。

3.2.3. Kmalloc分配器

Kmalloc分配器是Linux内核中常用的动态内存分配器，它提供了malloc、calloc等函数的内核版本。Kmalloc分配器使用Buddy分配器和Slab分配器，以适应不同大小的内存请求。

4. 虚拟内存

虚拟内存是一种内存管理技术，它允许操作系统将物理内存的一部分或全部映射到虚拟地址空间。虚拟内存的核心作用是减成本时间内存的利用率，并实现内存保护。

4.1. 页面置换算法

当物理内存不足时，操作系统需要将一些页面调出内存，以便为新的页面分配空间。这个过程称为页面置换。Linux系统赞成多种页面置换算法，包括：

4.1.1. LRU（最近最少使用）算法

LRU算法依页面最近被访问的时间来决定哪个页面应该被置换。该算法认为最近最少使用的页面最有也许在将来不再被访问，所以将其调出内存。

4.1.2. LFU（最少使用）算法

LFU算法依页面被访问的次数来决定哪个页面应该被置换。该算法认为访问次数最少的页面最有也许不再被访问，所以将其调出内存。

4.1.3. 其他算法

除了LRU和LFU算法外，Linux系统还赞成其他页面置换算法，如Clock算法、Second-Chance算法等。

5. 内存保护

内存保护是防止程序访问不属于它的内存区域的重要机制。Linux系统通过以下方法实现内存保护：

5.1. 页面权限

每个页面都可以被设置为可读、可写或可执行。操作系统会依页面的权限来束缚进程对内存的访问。

5.2. 页面映射

操作系统将虚拟地址空间映射到物理地址空间，确保每个进程只能访问其虚拟地址空间对应的物理内存区域。

6. 总结

Linux

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