Linux内存管理详解：虚拟内存区操作

"虚拟内存区操作-无涯教程-python3教程完整离线版" 在Linux操作系统中，内存管理是一个至关重要的子系统，它涉及到物理页的管理、大块内存的分配（如伙伴系统）、小块内存的分配（如slab分配器）、非连续内存的vmalloc分配以及进程的虚拟地址空间等。本文主要关注的是虚拟内存区的操作，尤其是与`struct vm_area_struct`相关的知识。 在Linux中，每个进程都有自己的虚拟地址空间，这些空间通过`struct mm_struct`结构体进行管理，其中的`mmap_cache`字段存储了最近一次`find_vma`操作的结果，提高查找效率。`find_vma`函数用于在内存映射区域中找到指定地址之后的第一个虚拟内存区域（`vm_area_struct`），这个区域的结束地址大于给定的地址，且起始地址小于等于给定地址。如果`mmap_cache`没有命中，那么就需要遍历红黑树（`mm->mm_rb`）来寻找合适的`vm_area_struct`。 虚拟内存区（vm_area_struct）是表示进程地址空间中一个连续区域的数据结构，它包含了关于内存映射的所有信息，如起始地址、结束地址、权限设置、文件映射信息等。`struct address_space`结构体与之关联，用于管理文件映射到内存的映射关系，其中`i_mmap`和`i_mmap_nonlinear`分别指向私有和共享映射的红黑树以及非线性映射的链表。 在Linux 3.10内核中，内存管理的初始化涉及多个步骤，包括分页机制的建立、`setup_arch`函数的调用、per-CPU area的初始化、节点（node）和域（zone）的初始化，以及内核内存分配器的启用。分页机制使得虚拟地址可以映射到物理地址，而节点和域的概念则是为了管理不同物理内存区域的特性，例如DRAM、HighMem等。 物理内存的管理主要包括了伙伴系统（buddy system）和slab分配器。伙伴系统用于大块内存的分配，通过拆分和合并页框来保证内存的高效使用。slab分配器则针对小块内存的分配，通过预分配并缓存内存块以减少内存分配的开销。slab家族还包括slub和slob，分别针对不同的优化场景。 对于进程的虚拟内存管理，每个进程有自己的独立地址空间，通过`vm_area_struct`来描述各个映射区域。这些区域可以是匿名的（不与文件关联），也可以是文件映射的，与`struct file`和`struct inode`相关联。当需要创建或删除地址区间时，系统会调用相应的函数，比如`do_mmap`用于创建映射，而`do_munmap`则用于撤销映射。 Linux的虚拟内存管理是复杂且高效的，它通过一系列的数据结构和算法确保了内存的有效利用和进程的正常运行。理解和掌握这些知识对于深入理解Linux内核的运作至关重要。