內存是計算機系統中至關重要的組成部分，它不僅儲存了運行中的程序和數據，還直接關系到系統的性能和穩定性。讓我們一起深入探討Linux系統下內存管理的核心原理，揭開它的神秘面紗。

基礎概念

物理地址

• 概念：物理地址是指計算機內存中實際的硬件地址，它對應著計算機中的物理存儲單元（如RAM），物理地址是唯一的。內存的一個地址的容量是一個字節（Byte）
• 特點： 物理地址是唯一的，每個物理存儲單元都有一個對應的物理地址。

虛擬地址

• 概念：虛擬地址是在程序執行過程中由操作系統提供的地址空間，它不直接對應物理硬件，而是經過虛擬內存系統的映射，最終映射到物理地址上。每個運行的進程都有自己的虛擬地址空間，這使得每個進程認為它擁有整個系統的內存。
• 特點： 虛擬地址具有抽象性，它使得程序無需關心實際的硬件細節，而是可以使用一個相對于程序自身的地址空間。

內存布局

• 32位操作系統：支持32位的地址空間，最多可以尋址2^32個地址，即4GB的內存。
• 64位操作系統： 支持64位的地址空間，最多可以尋址的地址數量為2^64，即128TB。
• 不同位寬的操作系統地址空間的范圍也不同，下面的兩張圖來分別表示它們的虛擬地址空間：
• 每個進程的虛擬內存空間都包括用戶空間和內核空間，每個進程都認為它擁有整個系統的內存資源。
• 每個進程的內核空間，其實關聯的都是相同的物理內存（公用的）。

內存映射

既然每個進程都有一個這么大的地址空間，那么所有進程的虛擬內存加起來，自然要比實際的物理內存大得多。所以，并不是所有的虛擬內存都會分配物理內存，只有那些實際使用的虛擬內存才分配物理內存，內存分配的機制是通過內存映射來管理的，內存映射支持按段分配和按頁分配。

按段分配

分段是比較早提出的，它將整個物理內存劃分為若干個不同用途的段，每個段用于存放特定類型的數據，這些邏輯分段包括只讀段、數據段、堆段、棧段組成。

• 只讀段：包括代碼和常量等。
• 數據段：包括全局變量等。
• 堆段：包括動態分配的內存，從低地址開始向上增長。
• 文件映射段： 包括動態庫、共享內存等，從高地址開始向下增長。
• 棧段：包括局部變量和函數調用的上下文等。棧的大小是固定的，一般是 8 MB

存在的問題：

• 外部內存碎片：因為分段機制分配的是連續的內存空間，假設有 1G 的物理內存，A程序占用了512MB，B程序占用了128MB，C程序占用了256MB，空閑128MB，B程序關閉了，因為內存不連續，導致沒有足夠空間在打開一個200MB的程序，就會交換到磁盤，從磁盤換入、喚出效率低下（多個不連續的物理內存空間）。
• 復雜性： 程序員需要管理多個內存段，增加了編程的復雜性。
• 不同段的交叉訪問： 由于段之間的獨立性，跨越多個段的訪問會更加復雜。

按頁分配

• 將物理內存和虛擬內存劃分為固定大小的頁（通常為4KB）
• 操作系統維護一個頁表，將虛擬內存的頁映射到物理內存的頁上。
• 頁表（快速、高效）。
• MMU：頁表實際上存儲在 CPU 的內存管理單元 MMU 中。
• TLB 是MMU 中頁表的高速緩存，加速虛擬地址到物理地址的轉換，減少對主存（RAM）的訪問次數，提高系統性能。
• 多級頁表：頁的大小是4K，隨著內存的增大，頁表記錄會特別多，為了解決頁表項過多的問題，Linux 提供了兩種機制，也就是多級頁表和大頁（HugePage）。

優點

• 消除外部碎片： 由于頁是固定大小的，減少了外部碎片的產生。
• 簡化內存管理： 操作系統負責頁的映射，程序員無需關心具體的內存分配和釋放。
• 更好的內存共享： 易于實現頁面的共享，不同進程可以共享相同的頁。

內存分配與回收

內存分配

進程可以通過調用malloc等函數在堆上動態分配內存。這些內存塊的管理由C庫提供，但最終涉及到系統調用，如brk和mmap

brk

• 作用：用于調整進程的數據段的結束地址，即擴展或縮小堆的大小。
• 操作對象：操作的是堆空間，對整個數據段的結束地址進行調整。
• 分配粒度：分配的內存是以頁為單位的，較大的內存請求可能會導致內部碎片。
• 適用場景：適用于較小的內存分配，比如動態內存分配。

mmap

• 作用：用于在進程的地址空間中映射文件或匿名內存區域。
• 操作對象：可以操作文件映射，也可以用于匿名內存映射，即映射到無關聯文件的內存。
• 分配粒度：可以以頁為單位進行內存分配，也支持更細粒度的映射。
• 適用場景：適用于大塊的內存分配，比如映射大文件、共享內存、內存映射 I/O 等。

內存回收

• 手動回收：調用 free() 或 unmap() 來釋放這些不用的內存。
• 自動回收（內存緊張時系統觸發）。
• 回收緩存：比如使用 LRU（Least Recently Used）算法，回收最近使用最少的內存頁面。
• 回收不常訪問的內存：把不常用的內存通過交換分區直接寫到磁盤中（Swap）。
• 殺死進程：內存緊張時系統還會通過OOM（Out of Memory）直接殺掉占用大量內存的進程。
• 一個進程消耗的內存越大，oom_score 就越大。
• 一個進程運行占用的 CPU 越多，oom_score 就越小。

# oom_adj 的范圍是 [-17, 15]，數值越大，表示進程越容易被 OOM 殺死
# -17 表示禁止 OOM
echo -16 > /proc/$(pidof sshd)/oom_adj

結束語

今天我們從概念開始，一點點的展開講了關于內存映射的兩種內存分配機制，以及特點，講了內存分配和回收，留下幾個問題，系統大家一起討論學習：

• 按頁分配下會存在內存碎片嗎？為什么？
• Linux 操作系統采用了哪種方式來管理內存呢？