浅谈linux内存管理

发布时间：2014-09-05 16:37:42作者：知识屋

linux内存管理的两个主要特征是进程虚拟内存和内核内存分配。

先来谈谈进程虚拟内存是什么，linux使用三级页表结构，由页目录，页中间目录，页表构成。

页目录：一个活动的进程有一个页目录，页目录大小为一页尺寸，页目录中的每一项都指向页中间目录的一页。

页中间目录：页中间目录可以有多个页，页中间目录的每一项指向页表中的一页。

页表：页表也可以有多页，每个页表项指向该进程的一个虚拟页。

虚拟内存方案的地址转换如下：

为了提高读写内存的效率，linux把连续的页映射到连续的叶框中，基于这种目的，linux使用了伙伴系统内核维护一系列固定大小的叶框组一页可以包含1、2、4、8、16、32个叶框，当一页在内存中分配或者回收时，可用的组使用伙伴算法被分裂或合并。

linux的页面置换算法是时钟算法的变种。

内核内存分配是什么，内核内存管理物理内存页框，主要是为特定的使用分配和回收页框，而页框的拥有者可能是用户空间的进程，动态分配的内核数据，静态内核代码和高速缓存等，linux的内核内存分配使用的是基于用户虚拟内存管理的分页机制，在分页机制中使用伙伴算法可以以一页或者多页为单位分配，所以这种分配的单位最小是页，而内核中有许多小对象，这些对象的构建和回收十分频繁，如inode，如果每次构件时就向内核申请一个页，而其实实际大小可能只有几个字节，这样就非常浪费，所以linux在分配页时采用了一种slab机制，一般的页尺寸为4K，而slab就是用来处理在同一页框中分配小存储区，小于一页的块可以非配给32、64、128、256...4048字节，linux维护了一组缓存链表，每种块大小对应一个链表，块可以按照类似伙伴算法的方式进行合并，并且可以在链表间移动。

slab层主要起到了两个方面的作用：

1. slab可以对小对象进行分配，这样就不用为每个小对象分配一个页框，节省了空间。

2. 内核中的一些小对象创建析构很频繁，slab对这些小对象做了缓存，可以重复利用一些相同的对象，减少内存分配次数。

slab结构如下：

linux是通过高速缓存来管理相同大小的块或者说对象吧。每个缓存都包含了一组slab列表，主要有三种不同类型的slab组成的链表：

slab_full：完全分配了，没有空闲的列表

slab_partial：分配了部分块的列表

slab_free：完全空闲的slab

当请求内存时会先从slab_partial中寻找，如果没有就会去slab_free中去寻找，然后将这个slab放入slab_partial中。

与传统的内存管理模式相比， slab 缓存分配器提供了很多优点。首先，内核通常依赖于对小对象的分配，它们会在系统生命周期内进行无数次分配。slab 缓存分配器通过对类似大小的对象进行缓存而提供这种功能，从而避免了常见的碎片问题。slab 分配器还支持通用对象的初始化，从而避免了为同一目而对一个对象重复进行初始化。最后，slab 分配器还可以支持硬件缓存对齐和着色，这允许不同缓存中的对象占用相同的缓存行，从而提高缓存的利用率并获得更好的性能。

参考链接：https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-linux-slab-allocator/

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