内核和进程的内存管理，内核从buddy到alloc到slab到kmalloc，内核的内核栈和中断处理程序栈，进程的虚拟内存到页表

news2024/11/16 21:25:48

内核中的内存管理

内核把物理页作为内存管理的基本单位，尽管处理器最小寻址单位为字，但是MMU（管理内存并且把虚拟地址转换为物理地址的硬件）通常以页为单位进行处理。

每个物理页面都由一个相应的 struct page 结构来表示，4GB的内存大约有20MB的空间是存储每个物理页的struct page。

struct page {
    unsigned long flags;            // 页面状态标志
    atomic_t _count;                // 页面引用计数
    atomic_t _mapcount;             // 页面映射计数
    unsigned long private;          // 用于私有数据
    struct address_space *mapping;  // 与页面关联的地址空间
    pgoff_t index;                  // 页面在地址空间中的偏移量
    struct list_head lru;           // LRU 链表中的节点
    void *virtual;                  // 虚拟地址
};

通过mapping字段可以获取到与页面关联的地址空间对象，拥有者可以是用户空间进程，动态分配的内核数据，静态内核代码和页高速缓存等。

struct address_space {
    const struct address_space_operations *a_ops;
    struct inode *host; // 关联的对象，通常是 inode 结构，查看 inode 结构以获取文件的详细信息
};

内核把物理页划分为不同的区（zone），只是逻辑上的划分。
将内存划分为区，形成不同的内存池。
在一些体系结构中，有些内存不能DMA（Direct Memory Access）.
有三种分区（常见的）：

ZONE_DMA:可以DMA的内存区域。
ZONE_NORMAL:可以正常映射的页。
ZONE_HIGHEM:"高位内存“，其中的页不能永久地映射到地址空间。

使用page_struct来管理页

分页子系统（Page Allocator）使用struct page来维护空闲页的列表、管理页面的状态等。在内核的其他部分，比如文件系统、内存映射子系统等，也会使用struct page来管理页面。

伙伴系统（Buddy System）是一种常见的物理内存管理算法。Buddy Allocator用于管理物理页的分配和释放，而Slab Allocator则用于高效管理内核中的对象缓存。

slab系统和buddy系统和分配内存底层函数的关系

在这里插入图片描述

alloc_pages等获得内存的函数是基于buddy系统，而slab系统又是基于分配内存的函数，kmalloc（）又是基于slab系统的（使用了一组通用高速缓存）。

伙伴系统（Buddy System）：用于内核的物理内存管理

管理物理帧，为了减少碎片。保持块的大小确定,alloc_pages就是使用buddy system，_get_free_pages 函数是基于伙伴系统的实现的。
维持11个链表，代表不同大小的块（页数不同）。

链表 0（大小为 2^0 = 1个页）
链表 1（大小为 2^1 = 2个页）
链表 2（大小为 2^2 = 4个页）
…

分配内存：

当需要分配一块大小为 2^k 的内存时，伙伴系统首先检查对应大小的内存块链表。如果找到了一个空闲的块，就将其分配出去。
如果对应大小的链表中没有可用的块，系统会向更大一级的链表查找，直到找到一个可用的块。这个找到的块会被一分为二，其中一个分配给请求者，而另一个则继续放入对应大小的链表。

释放内存：

当一块内存被释放时，伙伴系统会检查其相邻的块是否也是空闲的。如果是，它们将被合并成一个更大的块，并将该块插入到对应大小的链表中。
这个过程会一直进行，直到找到一个不是空闲的伙伴块或者达到最大的块大小。
这种方式可以有效地减少外部碎片，因为当内存被释放时，相邻的空闲块很有可能会被合并成一个更大的块，使得更大的内存块变得可用。

需要注意的是，伙伴系统中通常会有多个链表，每个链表对应不同大小的块。