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Linux内存管理深入分析

内存管理是操作系统的核心组件之一，尤其在现代Linux内核中，其复杂性和效率决定了系统性能的重要性。本文将从内存模型、伙伴系统、页表映射等多个维度深入分析内存管理的实现机制。

内存模型概述

Linux内核采用了复杂的内存模型，主要包含以下核心组件：

• struct memblock：作为内核启动时的基础内存管理结构，用于记录和管理物理内存资源。
• struct page：描述单个物理页面，包含页号、锁状态、映射类型等信息。
• struct zone：将物理内存划分为多个区域（如DMA、普通内存等），每个zone包含pageblock和free_area数组。
• 伙伴系统（Buddy System）：通过将空闲内存分成大小为2^order的块，实现动态内存管理。伙伴系统支持迁移类型（Migrate Types），用于优化内存回收和分配。

伙伴系统详解

伙伴系统是Linux内核中广泛应用的动态内存管理方案，其核心特性包括：

• Pageblock划分：将空闲内存划分为多个pageblock，每个pageblock包含连续的物理页面。pageblock的大小可根据配置（如HUGETLB_PAGE）调整。
• 迁移类型（Migrate Types）：内存块根据迁移类型分配到不同的链表中，类型包括不可移动、可回收、可移动等。迁移类型信息由struct zone中的pageblock_flags字段定义。
• free_area管理：free_area数组记录每个迁移类型对应的页面链表，通过struct free_area的成员实现空闲页面的管理。

ARM64页表映射

ARM64（ARMv8）架构的页表结构与其他体系架构有显著差异，其虚拟地址空间划分为以下几个部分：

高地址空间：- 0xc0000000 - 0xffffffff：内核空间- 0x80000000 - 0xc0000000：高地址空间常用地址空间：- 0x40000000 - 0x7fffffff：用户空间- 0x20000000 - 0x40000000：低地址空间

ARM64页表采用树状页表结构，支持大页（如4K、16K等）和小页的混合使用。其页表分配机制与其他体系架构相似，但具体实现细节需结合ARM架构特性进行优化。

内存管理总体框图

内存管理系统的整体架构可分为以下几个层次：

内存管理的关键环节包括页表管理、伙伴系统、页面回收等，共同确保系统内存的高效利用与稳定性。

参考资料

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