Linux内存管理：NUMA架构与虚拟机行为

"Linux内核中的物理内存描述与管理" 在Linux操作系统中，由于它可以在各种不同的硬件架构上运行，因此需要有一种独立于特定体系结构的方式来描述内存。本章深入探讨了Linux如何通过一系列结构来管理和跟踪内存银行、页面以及影响虚拟内存（VM）行为的标志。 首先，非均匀内存访问（NUMA）是虚拟内存系统中的核心概念。NUMA设计针对的是大型多处理器系统，其中内存被划分为多个银行，每个银行的访问成本因与处理器的距离不同而异。例如，可能为每个CPU分配一个内存银行，或者将适合直接内存访问（DMA）的内存银行分配给靠近设备卡的位置，以优化数据传输效率。在Linux中，每个内存银行被称为一个节点，并用`struct pglist_data`表示，即使在使用统一内存访问（UMA）的架构下也是如此。这个结构通常由其别名`pg_data_t`引用。 系统中的每个节点都保存在一个以NULL结尾的链表`pgdat_list`中。这个列表允许系统遍历并管理所有的内存节点。节点包含关于内存银行的信息，如大小、分配状态以及与CPU的相对位置等。 在NUMA系统中，内存分配策略考虑了访问延迟，尽可能地使进程能够访问与其关联的本地内存，以减少跨节点的通信开销。为此，Linux内核使用了页全局目录（PGD）、页上级目录（PUD）、页中级目录（PMD）和页表（PT）等分层数据结构来映射物理内存。这些结构共同构成了Linux的页表，使得进程可以高效地访问物理内存。 页表结构允许动态地分配和回收内存，同时也支持内存保护和权限控制。例如，每个页表条目可以设置标志，指示页面是否可读、可写、可执行或是否被交换到磁盘。这些标志确保了VM系统的安全性和灵活性。 此外，Linux内核还提供了内存分配器，如slab和伙伴系统，用于高效地管理内存块的分配和释放。slab用于缓存对象，减少了重复分配和释放相同大小内存块的开销；伙伴系统则用于大块内存的管理，保证了内存分配的平衡和碎片最小化。 总而言之，Linux内核通过NUMA架构、页表结构和内存分配器等一系列机制，实现了对多种体系结构下物理内存的有效管理和控制，确保了系统性能和资源利用率。这些机制对于理解Linux系统的内存管理至关重要，对于系统优化和故障排查工作也有着深远的影响。