內(nèi)存管理在內(nèi)核中占據(jù)著舉足輕重的地位，畢竟它是用來(lái)處理處理器和內(nèi)存之間的協(xié)作的，而后兩者都是計(jì)算機(jī)中最為重要的資源。內(nèi)存管理的目標(biāo)就是高效合理的使用物理內(nèi)存，不造成浪費(fèi)。

1.體系結(jié)構(gòu)

在計(jì)算機(jī)發(fā)展初期，如上圖，CPU通過(guò)總線訪問(wèn)整個(gè)地址空間，這是一種簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的方式，可以盡可能使用內(nèi)存。但是這個(gè)系統(tǒng)本身也存在伸縮性的問(wèn)題，因?yàn)榭偩€的寬度是有限的，這也限制了處理器的數(shù)量。如果添加CPU，會(huì)引起以下兩個(gè)問(wèn)題

CPU增加，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的可用帶寬會(huì)減少 CPU增加，總線長(zhǎng)度會(huì)增加，進(jìn)而增加了延遲 于是有了下面的系統(tǒng)，如下圖，其中北橋芯片離CPU最近，在CPU與顯卡（PCIE/AGP)、內(nèi)存(DRAM)等建立通信接口，處理高速信號(hào)。南橋則負(fù)責(zé)一些I/O設(shè)備，通常速度相對(duì)前者不高。比如PCI、磁盤(pán)(IDE/SATA)、USB等。

目前管理物理內(nèi)存的方法主要有以下兩種

1.1 一致內(nèi)存訪問(wèn)（Uniform Memory Access，UMA） 也稱(chēng)為對(duì)稱(chēng)多處理器（SMP） 內(nèi)存以連續(xù)的方式組織起來(lái)，每個(gè)CPU訪問(wèn)各個(gè)內(nèi)存區(qū)都一樣快。CPU通過(guò)系統(tǒng)總線（前端總線）連到北橋（其中包含內(nèi)存控制器），與內(nèi)存之間的通信必然經(jīng)過(guò)北橋。IO控制器也連到北橋，IO必須通過(guò)北橋才能到達(dá)CPU?？梢栽黾佣鄠€(gè)總線或者內(nèi)存通道增加帶寬。不過(guò)總的來(lái)將，UMA的這種伸縮性是有限的。

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1.2 非一致內(nèi)存訪問(wèn)（Non-Unit Memory Access，NUMA）

每個(gè)CPU是平等的（系統(tǒng)啟動(dòng)初始化除外），都有本地內(nèi)存，離著最近訪問(wèn)速度最快。各個(gè)CPU之間通過(guò)總線連接，支持對(duì)其他CPU的訪問(wèn)。如下圖，CPU不再共享北橋，而是獨(dú)有一個(gè)內(nèi)存控制器。

2.內(nèi)存模型

從處理器的角度看物理內(nèi)存分布，內(nèi)存管理子系統(tǒng)支持下面三種內(nèi)存模型

平坦內(nèi)存（Flat Memory）：內(nèi)存的物理地址空間連續(xù)，不存在空洞。如果物理地址空間不連續(xù)，那要額外的分配頁(yè)來(lái)處理這些空洞，顯然這種情況下是低效的。 不連續(xù)內(nèi)存（Discontiguous Memory）：如果物理地址空間存在空洞，相對(duì)平坦內(nèi)存能高效處理 稀疏內(nèi)存（Space Memory）：物理地址空間存在空洞，并且支持熱拔插。

3.三級(jí)結(jié)構(gòu)

1. 在NUMA，CPU被劃分為多個(gè)節(jié)點(diǎn)(node), 每個(gè)CPU對(duì)應(yīng)一個(gè)本地物理內(nèi)存, 即一個(gè)CPU-node對(duì)應(yīng)一個(gè)內(nèi)存node。 內(nèi)存管理系統(tǒng)通過(guò)節(jié)點(diǎn)（node)，內(nèi)存域（zone）、頁(yè)幀（page）三級(jí)結(jié)構(gòu)描述物理內(nèi)存。首先，內(nèi)存劃分為節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)一個(gè)CPU。各個(gè)節(jié)點(diǎn)又劃分為內(nèi)存域，各個(gè)內(nèi)存域都關(guān)聯(lián)了一個(gè)數(shù)組，用來(lái)組織屬于該內(nèi)存域的物理頁(yè)。UMA被當(dāng)作只有一個(gè)NUMA的系統(tǒng)。

3.1 內(nèi)存節(jié)點(diǎn)

各個(gè)內(nèi)存節(jié)點(diǎn)保存在一個(gè)單鏈表中，供內(nèi)核遍歷。

3.2 內(nèi)存域

3.2.1 內(nèi)存區(qū)域類(lèi)型

ZONE_DMA，直接內(nèi)存訪問(wèn)，某些設(shè)備不能直接訪問(wèn)內(nèi)存的，則需要DMA區(qū)域。 ZONE_DMA32，64位系統(tǒng)，紀(jì)要支持直接訪問(wèn)16MB以下的內(nèi)存設(shè)備，又要支持直接訪問(wèn)4GB以下內(nèi)存的32位設(shè)備，需要使用此區(qū)域 ZONE_NORMAL，普通區(qū)域，直接映射到內(nèi)核虛擬地址空間的內(nèi)存區(qū)域，也稱(chēng)線性映射區(qū)域 ZONE_HIGHMEM， 高端內(nèi)存區(qū)域，32位系統(tǒng)的產(chǎn)物，內(nèi)核地址空間只有1GB，于是就分出了低端內(nèi)存區(qū)域+高端內(nèi)存區(qū)域，高端內(nèi)存區(qū)域通過(guò)動(dòng)態(tài)映射用來(lái)擴(kuò)展內(nèi)存。 ZONE_MOVABLE，可移動(dòng)區(qū)域，用來(lái)避免內(nèi)存碎片 ZONE_DEVICE，設(shè)備區(qū)域，為了支持持久內(nèi)存熱拔插而增加的內(nèi)存區(qū)域

3.2.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3.3 頁(yè)幀（物理頁(yè)）

頁(yè)幀是系統(tǒng)內(nèi)存中的最小單位，每個(gè)頁(yè)都會(huì)對(duì)應(yīng)有一個(gè)struct page的實(shí)例。一般位4KB。對(duì)應(yīng)內(nèi)核結(jié)構(gòu)是struct page，里面有很多聯(lián)合體，這樣寫(xiě)的原因是為了節(jié)省內(nèi)存。