Linux 内存管理机制概述

内存管理是操作系统的核心功能之一，在 Linux 系统中，内存管理机制决定了如何高效地分配、管理和回收内存资源。本文将介绍 Linux 内存管理的整体框架，并简要介绍其中的核心概念：虚拟内存、分页和页表。

1. 虚拟内存 (Virtual Memory)

虚拟内存是 Linux 内存管理的核心概念之一。它通过将物理内存和存储设备结合起来，使得每个进程都可以拥有独立的、连续的内存空间，简化了内存管理并提升了系统的安全性和稳定性。

在虚拟内存机制中，进程访问的是虚拟地址，而不是直接访问物理内存地址。内核会将虚拟地址映射到实际的物理地址，这个过程通过页表来完成。虚拟内存使得操作系统可以：

提供更大的内存空间：即使物理内存不足，虚拟内存可以通过将部分数据存储在硬盘的交换分区 (swap) 中来扩展内存空间。
进程隔离：每个进程都有独立的虚拟地址空间，防止了不同进程之间的内存访问冲突。

下面是一个简单的文本图例，展示虚拟内存空间和物理内存空间的映射关系：

+---------------------+           +---------------------+
|  Virtual Memory     |           |  Physical Memory    |
+---------------------+           +---------------------+
|  Virtual Page 1     |   ---->   |  Physical Page 3    |
+---------------------+           +---------------------+
|  Virtual Page 2     |   ---->   |  Physical Page 7    |
+---------------------+           +---------------------+
|  Virtual Page 3     |   ---->   |  Physical Page 1    |
+---------------------+           +---------------------+
|  Virtual Page 4     |   ---->   |  Physical Page 8    |
+---------------------+           +---------------------+

         +---------------------------+
         |         Page Table         |
         +---------------------------+
         |  Virtual Page 1 -> Page 3  |
         |  Virtual Page 2 -> Page 7  |
         |  Virtual Page 3 -> Page 1  |
         |  Virtual Page 4 -> Page 8  |
         +---------------------------+

  Swap Space (for pages not in physical memory)

说明：

虚拟内存空间：虚拟内存空间的每个虚拟页面通过页表映射到物理内存中的物理页面。
物理内存空间：物理内存中储存实际数据。
页表：维护虚拟页面与物理页面之间的映射关系。
交换空间 (Swap)：当物理内存不足时，不常用的页面可能被移到交换空间中。

2. 分页 (Paging)

分页是虚拟内存实现的重要机制之一。它将虚拟内存分割成固定大小的内存块，称为“页”（page），物理内存也同样划分为与页大小相同的“页框”（page frame）。当进程需要访问数据时，内核将虚拟地址的页映射到物理内存中的页框。

分页带来的好处包括：

内存利用率提高：分页机制允许物理内存与虚拟内存不连续，从而减少了内存碎片。
按需分配：Linux 支持按需分页，即当某页被访问时，才将它从磁盘加载到物理内存中，这大大提升了内存的使用效率。
下面是一个文本图例，展示虚拟地址如何通过分页机制映射到物理内存页框，并显示虚拟地址的高位和低位部分如何起作用。

虚拟地址: 32 位 (例如，0xCAFEBABE)
---------------------------------
| 虚拟地址高位部分 (页号) | 虚拟地址低位部分 (页内偏移) |
-------------------------------------------------
|        20 位          |          12 位         |
-------------------------------------------------
         ↓
+-----------------------------------+
|        页表 (Page Table)          |
+-----------------------------------+
|  页表项 1: 虚拟页 1 -> 物理页 5  |
|  页表项 2: 虚拟页 2 -> 物理页 8  |
|  页表项 3: 虚拟页 3 -> 物理页 2  |
|  页表项 4: 虚拟页 4 -> 物理页 9  |
+-----------------------------------+
         ↓
+--------------------------+   
|  物理内存页框 (Page Frame) |
+--------------------------+
|  物理页框 5 (数据在这里) |
+--------------------------+
|  物理页框 8               |
+--------------------------+
|  物理页框 2               |
+--------------------------+
|  物理页框 9               |
+--------------------------+

说明：

虚拟地址结构：虚拟地址被分为高位和低位部分。高位部分用于标识虚拟页号，低位部分用于页内偏移（即该页内的具体字节地址）。
页表：虚拟页号通过查页表找到对应的物理页框号。例如，虚拟地址 0xCAFEBABE 的高位部分可能指向虚拟页 1，映射到物理页框 5。
物理内存页框：查找完成后，将虚拟页号映射到的物理页框中，再加上页内偏移，最终找到具体的数据。

3. 页表 (Page Table)

页表是 Linux 内存管理中用于存储虚拟地址到物理地址映射关系的数据结构。每个进程都有自己的页表，内核根据页表来完成虚拟内存到物理内存的转换。

页表中的每一项包含了虚拟页到物理页框的映射信息。为了提高查找效率，现代 Linux 内核使用多级页表（如二级页表或四级页表），通过分级的方式减少查找开销。此外，Linux 还使用了**页表缓存（TLB，Translation Lookaside Buffer）**来加速地址转换。TLB 是一块高速缓存，用于存储最近使用的页表项，减少对页表的访问次数。
以下是一个简化的文本图例，展示了二级页表结构如何递归映射虚拟地址到物理地址，并通过多级页表缩短查找时间：

虚拟地址: 32 位 (例如，0xCAFEBABE)
-----------------------------------------
| 高位部分 (页目录索引) | 中间部分 (页表索引) | 低位部分 (页内偏移) |
-----------------------------------------
|       10 位           |      10 位        |      12 位        |
-----------------------------------------
         ↓
+----------------------------+
| 一级页表 (Page Directory)   |
+----------------------------+
| 页目录项 1 -> 指向页表 1    |
| 页目录项 2 -> 指向页表 2    |
| 页目录项 3 -> 指向页表 3    |
+---------------------------+
         ↓
+---------------------------+
| 二级页表 (Page Table 1)    |
+---------------------------+
| 页表项 1 -> 物理页框 5      |
| 页表项 2 -> 物理页框 8      |
| 页表项 3 -> 物理页框 2      |
+---------------------------+
         ↓
+---------------------------+   
| 物理内存页框 (Page Frame)   |
+---------------------------+
| 物理页框 5 (数据在这里)      |
+---------------------------+
| 物理页框 8                 |
+---------------------------+
| 物理页框 2                 |
+---------------------------+

说明：

虚拟地址结构：虚拟地址分为三部分：
- 高位部分（页目录索引）：用于查找一级页表，即页目录中的索引。
- 中间部分（页表索引）：用于查找二级页表中的具体页表项。
- 低位部分（页内偏移）：表示在页框中的具体位置。
多级页表：
- 一级页表 (Page Directory)：这是一个包含页目录项的表。每个目录项指向一个二级页表。
- 二级页表 (Page Table)：由一级页表指向，用于存储虚拟页号到物理页框的映射。
查找过程：
- 先使用虚拟地址的高位部分查找一级页表，找到对应的二级页表。
- 再使用中间部分查找二级页表中的页表项，找到对应的物理页框。
- 最后，结合低位部分的偏移，在物理页框中找到具体的内存地址。