詳解Linux內核內存管理架構

內存管理硬件架構

因為內存管理是內核最為核心的一個功能，針對內存管理性能優(yōu)化，除了軟件優(yōu)化，硬件架構也做了很多的優(yōu)化設計。下圖是一個目前主流處理器上的存儲器層次結構設計方案。

從圖中可以看出，對于邏輯cache架構讀寫內存，硬件設計了3條優(yōu)化路徑。

· 首先L1 cache支持虛擬地址尋址，保證CPU出來的虛擬地址（VA）不需要轉換成物理地址（PA）就可以用來直接查找L1 cache，提高cache查找效率。當然用VA查找cache，有安全等缺陷，這需要CPU做一些特別的設計來進行彌補，具體可以閱讀《計算機體系結構：量化研究方法》了解相關細節(jié)。

· 如果L1 cache沒有命中，這就需要進行地址轉換，把VA轉換成PA。linux的內存映射管理是通過頁表來實現的，但是頁表是放在內存中的，如果每次地址轉換過程都需要訪問一次內存，其效率是十分低下的。這里CPU通過TLB硬件單元（在MMU中）來加速地址轉換。

· 獲得PA后，在L2 cache中再查找緩存數據。L2 cache一般比L1 cache大一個數量級，其查找命中率也更高。如果命中獲得數據，則可避免去訪問內存，提高訪問效率。

可見，為了優(yōu)化內存訪問效率，現代處理器引入多級cache、TLB等硬件模塊。每個硬件模塊內部還有大量的設計細節(jié)，這里不再深入，如有興趣可以閱讀《計算機體系結構：量化研究方法》等書籍進一步了解。

內存映射空間劃分

根據不同的內存使用方式和使用場景需要，內核把內存映射地址空間劃分成多個部分，每個劃分空間都有自己的起止地址、分配接口和使用場景。下圖是一個常見的32位地址空間劃分結構。

· DMA內存動態(tài)分配地址空間：一些DMA設備因為其自身尋址能力的限制，不能訪問所有內存空間。如早期的ISA設備只能在24位地址空間執(zhí)行DMA，即只能訪問前16MB內存。所以需要劃分出DMA內存動態(tài)分配空間，即DMA zone。其分配通過加上GFP_ATOMIC控制符的kmalloc接口來申請。

· 直接內存動態(tài)分配地址空間：因為訪問效率等原因，內核對內存采用簡單的線性映射，但是因為32位CPU的尋址能力（4G大?。┖蛢群说刂房臻g起始的設置（3G開始），會導致內核的地址空間資源不足，當內存大于1GB時，就無法直接映射所有內存。無法直接映射的地址空間部分，即highmem zone。在DMA zone和highmem zone中間的區(qū)域即normal zone，主要用于內核的動態(tài)內存分配。其分配通過kmalloc接口來申請。

· 高端內存動態(tài)分配地址空間：高端內存分配的內存是虛擬地址連續(xù)而物理地址不連續(xù)的內存，一般用于內核動態(tài)加載的模塊和驅動，因為內核可能運行了很久，內存頁面碎片情況嚴重，如果要申請大的連續(xù)地址的內存頁會比較困難，容易導致分配失敗。根據應用需要，高端內存分配提供多個接口:

vmalloc：指定分配大小，page位置和虛擬地址隱式分配；

vmap：指定page位置數組，虛擬地址隱式分配；

ioremap：指定物理地址和大小，虛擬地址隱式分配。

· 持久映射地址空間：內核上下文切換會伴隨著TLB刷新，這會導致性能下降。但一些使用高端內存的模塊對性能也有很高要求。持久映射空間在內核上下文切換時，其TLB不刷新，所以它們映射的高端地址空間尋址效率較高。其分配通過kmap接口來申請。kmap與vmap的區(qū)別是：vmap可以映射一組page，即page不連續(xù)，但虛擬地址連續(xù)，而kmap只能映射一個page到虛擬地址空間。kmap主要用于fs、net等對高端內存訪問有較高性能要求的模塊中。

· 固定映射地址空間：持久映射的問題是可能會休眠，在中斷上下文、自旋鎖臨界區(qū)等不能阻塞的場景中不可用。為了解決這個問題，內核又劃分出固定映射，其接口不會休眠。固定映射空間通過kmap_atomic接口來映射。kmap_atomic的使用場景與kmap較為相似，主要用于mm、fs、net等對高端內存訪問有較高性能要求而且不能休眠的模塊中。

不同的CPU體系架構在地址空間劃分上不盡相同，但為了保證CPU體系差異對外部模塊不可見，內存地址空間的分配接口的語義是一致的。

因為64位CPU一般都不需要高端內存（當然也可以支持），在地址空間劃分上與32位CPU的差異較大，下圖是一個X86_64的內核地址空間劃分圖：

內存管理

內核內存管理的核心工作就是內存的分配回收管理，其內部分為2個體系：頁管理和對象管理。頁管理體系是一個兩級的層次結構，對象管理體系是一個三級的層次結構，分配成本和操作對CPU cache和TLB的負面影響，從上而下逐漸升高。

頁管理層次結構：由冷熱緩存、伙伴系統(tǒng)組成的兩級結構。負責內存頁的緩存、分配、回收。

對象管理層次結構：由per-cpu高速緩存、slab緩存、伙伴系統(tǒng)組成的三級結構。負責對象的緩存、分配、回收。這里的對象指小于一頁大小的內存塊。

除了內存分配，內存釋放也是按照此層次結構操作。如釋放對象，先釋放到per-cpu緩存，再釋放到slab緩存，最后再釋放到伙伴系統(tǒng)。

框圖中有三個主要模塊，即伙伴系統(tǒng)、slab分配器和per-cpu（冷熱）緩存。他們的對比分析如下。