图解丨Linux内核内存管理架构设计

内存管理子系统可能是linux内核中最为复杂的一个子系统，其支持的功能需求众多，如页面映射、页面分配、页面回收、页面交换、冷热页面、紧急页面、页面碎片管理、页面缓存、页面统计等，而且对性能也有很高的要求。本文从内存管理硬件架构、地址空间划分和内存管理软件架构三个方面入手，尝试对内存管理的软硬件架构做一些宏观上的分析总结。

内存管理硬件架构

因为内存管理是内核最为核心的一个功能，针对内存管理性能优化，除了软件优化，硬件架构也做了很多的优化设计。下图是一个目前主流处理器上的存储器层次结构设计方案。

从图中可以看出，对于读写内存，硬件设计了3条优化路径。

1）首先L1 cache支持虚拟地址寻址，保证CPU出来的虚拟地址（VA）不需要转换成物理地址（PA）就可以用来直接查找L1 cache，提高cache查找效率。当然用VA查找cache，有安全等缺陷，这需要CPU做一些特别的设计来进行弥补，具体可以阅读《计算机体系结构：量化研究方法》了解相关细节。

2）如果L1 cache没有命中，这就需要进行地址转换，把VA转换成PA。linux的内存映射管理是通过页表来实现的，但是页表是放在内存中的，如果每次地址转换过程都需要访问一次内存，其效率是十分低下的。这里CPU通过TLB硬件单元来加速地址转换。

3）获得PA后，在L2 cache中再查找缓存数据。L2 cache一般比L1 cache大一个数量级，其查找命中率也更高。如果命中获得数据linux系统框图，则可避免去访问内存，提高访问效率。

可见，为了优化内存访问效率，现代处理器引入多级cache、TLB等硬件模块（如下图是一款8核MIPS处理器硬件框图）。每个硬件模块内部还有大量的设计细节，这里不再深入，如有兴趣可以阅读《计算机体系结构：量化研究方法》等书籍进一步了解。

Linux内核源码学习地址：ke.qq.com/course/4032547?flowToken=1041043

【文章福利】小编推荐自己的Linux内核源码分析交流群:【点击1095678385加入】整理了一些个人觉得比较好的学习书籍、视频资料共享在群文件里面，有需要的可以自行添加哦！

内存映射空间划分

根据不同的内存使用方式和使用场景需要，内核把内存映射地址空间划分成多个部分，每个划分空间都有自己的起止地址、分配接口和使用场景。下图是一个常见的32位地址空间划分结构（点击见大图）。

不同的CPU体系架构在地址空间划分上不尽相同，但为了保证CPU体系差异对外部模块不可见，内存地址空间的分配接口的语义是一致的。

因为64位CPU一般都不需要高端内存（当然也可以支持），在地址空间划分上与32位CPU的差异较大，下图（大图）是一个MIPS64 CPU的内核地址空间划分示例。

内存管理软件架构

内核内存管理的核心工作就是内存的分配回收管理，其内部分为2个体系：页管理和对象管理。页管理体系是一个两级的层次结构，对象管理体系是一个三级的层次结构，分配成本和操作对CPU cache和TLB的负面影响，从上而下逐渐升高。

除了内存分配，内存释放也是按照此层次结构操作。如释放对象，先释放到per-cpu缓存，再释放到slab缓存，最后再释放到伙伴系统。

框图中有三个主要模块，即伙伴系统、slab分配器和per-cpu（冷热）缓存。他们的对比分析如下。

（编辑：广州站长网）

【声明】本站内容均来自网络，其相关言论仅代表作者个人观点，不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利，请及时与联系站长删除相关内容!