Linux内核的动态内存管理与页框分配

"Linux 内存管理 - 涵盖页框管理、小内存管理与非连续存储区管理" Linux 内存管理是一个复杂且至关重要的系统任务，它涉及到如何高效地利用硬件资源，如x86架构下的分段和分页机制，来将逻辑地址映射到物理地址。在Linux系统中，内存被分为两大部分：一部分永久分配给内核，存放内核代码和静态数据；另一部分是动态存储器，用于满足进程和内核的按需分配需求。 动态存储器是一种稀缺资源，其有效管理直接影响整个系统的性能。理想的动态存储器管理策略应实现按需分配，并在不再需要时及时释放。为了实现这一目标，Linux内核采取了一系列策略和技术。 页框管理是内存管理的核心，Linux将4KB的页作为内存管理的基本单位，这样的大小通常与磁盘块大小相匹配，以提高数据传输效率。内核需要维护一个状态记录，追踪每个页框的用途，包括是否为空闲、被哪个进程或内核组件使用等。页框的状态信息通过页描述符进行跟踪，每个物理页框都有一个对应的页描述符结构（struct page），这些描述符集合在一个名为mem_map的数组中。 页描述符不仅用于表示页框的状态，还包含关于页框使用者的信息，如用户态进程、内核数据结构、静态内核代码、页面缓存或设备驱动的数据。这使得内核能够快速定位和管理内存资源。 除了页框管理，Linux内存管理还包括小内存管理和非连续存储区管理。小内存管理主要处理小规模的内存分配，例如，当需要分配比一页更小的内存块时，会采用伙伴系统（buddy system）来高效地分割和合并内存块。非连续存储区管理则处理内存分配不连续的情况，确保即使在内存碎片严重时也能有效地分配和回收内存。 Linux内存管理系统通过精细的页框管理和辅助策略，如伙伴系统和对非连续存储区的管理，实现了动态存储器的高效利用，从而保证了系统的稳定性和性能。理解这些概念对于优化Linux系统性能和编写高效的内核级代码至关重要。