Linux内存管理(一)：内存管理概述_linux内存管理的作用

首先明确下面几个概念：

• 程序(Program)：一组指令的有序集合，是静态的实体。
• 进程(Process)：执行程序后，操作系统将程序的可执行文件和它的相关依赖加载到内存中，得到的动态的实体称为进程。

程序和进程并不是一一对应的。一段程序可以在不同的数据集上形成多个不同的进程，也可以因为没被执行而不产生进程。但进程一定有一段对应的程序。

• 内存(Memory)：是程序运行的场所，在程序运行时存放代码、参数、中间数据的地方。

Linux系统内存管理的职责是：进程请求内存时分配可用内存，进程释放内存时回收内存，跟踪系统内存的使用情况。

一、虚拟内存与物理内存、逻辑地址与物理地址

物理内存：就是内存条提供的物理存储空间，主板上的内存条提供多大的存储空间，物理内存就有多大。

物理地址：内存条中的存储单元的真实地址，编号从0开始一直到物理存储单元的最高端。

早期的操作系统没有虚拟内存概念的时候，程序寻址都使用物理地址。在32位平台下，CPU的寻址范围是2^32也就是0~4G。对于多个进程并发执行的操作系统，如果为每个进程都分配4G的物理内存，会产生很多问题，例如

1.物理内存是有限的，不足以为每个进程都提供4G的运行空间，没分配到空间的进程只能在内存外等待，十分没有效率。
2.由于每个程序都使用物理地址进行访问，相互没有隔离，导致一个进程可以通过物理地址直接修改另一个进程的数据，十分不安全
3.由于每次程序运行时被装入内存的位置是不固定的，但程序中物理地址是写死的，因此访问不到正确的数据。

为了解决上述问题，虚拟内存应运而生。

虚拟内存：在系统中，每个进程都认为自己得到了4G连续的地址空间。实际上这份空间并不是真正的内存空间，它通常被分割成很多各物理内存碎片，乱序的存放在物理内存条中，甚至有一些因为内存有限只能存放在磁盘存储器上，在必要时再被装入内存。

逻辑地址：现代程序内部使用的地址都是逻辑地址，也就是数据在进程的4G虚拟内存中的地址。逻辑地址当然也是虚拟的。

所有进程共享同一块物理内存，逻辑上各自拥有一块连续的虚拟内存。当一个进程要访问某个数据时，会给出该数据的逻辑地址。系统使用地址映射算法将逻辑地址转换成物理地址，再访问物理内存中相应的存储单元取得数据。

二、页式内存管理

为了方便逻辑地址到物理地址的映射，大多数操作系统都使用了页式的内存管理机制，通过页的映射来实现逻辑地址到物理地址的转换。

在页式内存管理体制中，页(Page)是内存管理的基本单元。Linux中一个页的默认大小为4KB。

每个进程都有独自的虚拟内存4G，可被分成4G/4K=1M个页。将这些从0开始编号。

将物理内存也以4K为一个单位进行管理，每个单位可被称为页框或块，将页框也从0开始进行编号。

为每个进程都建立一张表，用来存储该进程每个页加载到物理内存的哪个页框中，这样的表称为页表。页表中的每一项都是页到页框的映射，称为页表项。

三、虚拟内存空间划分、用户空间和内核空间

每个进程有4G的虚拟内存，通常将0~3G划分为用户空间，3 ~ 4G划分为内核空间。

用户进程可以直接访问用户空间，每个进程都有自己独立的用户空间。

用户进程不能直接访问内核空间，通过系统调用或异常操作才能访问内核空间。所有进程共享内核空间。

一个进程的虚拟内存可以大致进行如下划分：
注意：这是一个大致的划分，实际上Linux划分得更细

用户空间被大致划分为代码段、数据段、BSS段、堆段、栈段这五个段，每个段得作用如下：

• 代码段（Code segment）：存放可执行代码，二进制机器指令形式，只读。
• 数据段（Data segment）：存放已初始化的数据，即赋初值的全局变量和static变量。
• BSS段：存放未初始化的数据，即没有赋初值的全局变量和static变量。
• 堆段（heap）：动态分配的内存空间，即malloc()函数申请的空间，向高地址增长。
• mmap段：程序员主动调用mmap()函数时才会生成的一个段，用来存储内存映射的内容，也就是将内核空间的一段内存映射到用户空间。由于内存映射的段的大小也是不确定的，存在与stack段、heap段碰撞的可能，为了避免碰撞，将该段的首地址选择在TASK_SIZE / 3处（即1GB处），且向高地址增长。
• 栈段（stack）：函数内的局部变量、形参和返回值临时存储的内存空间，向低地址增长。

内核空间被大致分为ZONE_DMA、ZONE_NORMAL、ZONE_HIGHMEM三个区域，每个区域的作用如下：

• ZONE_DMA：范围为0MB~16MB，称为DMA内存区。该区域的物理页面专门供I/O设备的DMA使用。之所以需要单独管理DMA的物理页面，是因为DMA使用物理地址访问内存，不经过MMU，并且需要连续的缓冲区，所以为了能够提供物理上连续的缓冲区，必须从物理地址空间专门划分一段区域用于DMA。
• ZONE_NORMAL：范围为16MB~896MB，称为低端内存区。该区域直接线性映射到物理内存空间中。ZONE_NORMAL内存不够时，Linux也会去ZONE_DMA申请，但反之则不可。
• ZONE_HIGHMEM：范围为896MB~1GB，称为高端内存区。该区域使用非线性映射对应到物理空间上，因此在该区域内寻址需要借助页表来完成。非线性区不会提前进行内存映射，而是在使用时动态映射。ZONE_HIGHMEM不够时，Linux也会去ZONE_NORMAL内存区申请，但反之则不可。
  在

vmalloc()函数使用的是ZONE_HIGHMEM的空间，通常用来申请大块的内存空间，且逻辑地址连续的空间物理地址不一定连续。kmalloc()函数使用ZONE_NORMAL中的空间，可以以字节为单位进行分配，通常用来申请小块的内存空间，且逻辑地址连续的物理地址一定连续。