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

1. 體系結(jié)構(gòu)

在計算機發(fā)展初期，如上圖，CPU通過總線訪問整個地址空間，這是一種簡單經(jīng)濟的方式，可以盡可能使用內(nèi)存。但是這個系統(tǒng)本身也存在伸縮性的問題，因為總線的寬度是有限的，這也限制了處理器的數(shù)量。如果添加CPU，會引起以下兩個問題

CPU增加，每個節(jié)點的可用帶寬會減少 CPU增加，總線長度會增加，進而增加了延遲 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。南橋則負責一些I/O設備，通常速度相對前者不高。比如PCI、磁盤(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（Uniform Memory Access，UMA）

也稱為對稱多處理器（SMP） 內(nèi)存以連續(xù)的方式組織起來，每個CPU訪問各個內(nèi)存區(qū)都一樣快。CPU通過系統(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)過北橋。IO控制器也連到北橋，IO必須通過北橋才能到達CPU。可以增加多個總線或者內(nèi)存通道增加帶寬。不過總的來將，UMA的這種伸縮性是有限的。

【文章福利】小編推薦自己的Linux內(nèi)核技術交流群:【891587639】整理了一些個人覺得比較好的學習書籍、視頻資料共享在群文件里面，有需要的可以自行添加哦?。。。ê曨l教程、電子書、實戰(zhàn)項目及代碼)? ? ?

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

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

1. 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)，那要額外的分配頁來處理這些空洞，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。

1. 三級結(jié)構(gòu) 在NUMA，CPU被劃分為多個節(jié)點(node), 每個CPU對應一個本地物理內(nèi)存, 即一個CPU-node對應一個內(nèi)存node。 內(nèi)存管理系統(tǒng)通過節(jié)點（node)，內(nèi)存域（zone）、頁幀（page）三級結(jié)構(gòu)描述物理內(nèi)存。首先，內(nèi)存劃分為節(jié)點，每個節(jié)點關聯(lián)一個CPU。各個節(jié)點又劃分為內(nèi)存域，各個內(nèi)存域都關聯(lián)了一個數(shù)組，用來組織屬于該內(nèi)存域的物理頁。UMA被當作只有一個NUMA的系統(tǒng)。

3.1 內(nèi)存節(jié)點

各個內(nèi)存節(jié)點保存在一個單鏈表中，供內(nèi)核遍歷。

3.2 內(nèi)存域

3.2.1 內(nèi)存區(qū)域類型

ZONE_DMA，直接內(nèi)存訪問，某些設備不能直接訪問內(nèi)存的，則需要DMA區(qū)域。 ZONE_DMA32，64位系統(tǒng)，紀要支持直接訪問16MB以下的內(nèi)存設備，又要支持直接訪問4GB以下內(nèi)存的32位設備，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)域通過動態(tài)映射用來擴展內(nèi)存。 ZONE_MOVABLE，可移動區(qū)域，用來避免內(nèi)存碎片 ZONE_DEVICE，設備區(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 頁幀（物理頁）

頁幀是系統(tǒng)內(nèi)存中的最小單位，每個頁都會對應有一個struct page的實例。一般位4KB。對應內(nèi)核結(jié)構(gòu)是struct page，里面有很多聯(lián)合體，這樣寫的原因是為了節(jié)省內(nèi)存。