Linux内存管理模型解析-从UMA到NUMA

"内存管理模型-无涯教程-python3教程完整离线版" 本文主要探讨了计算机内存管理模型，特别是针对Linux操作系统中的内存管理和物理内存布局。内存管理在现代多核系统中扮演着至关重要的角色，因为不同的CPU核心访问内存的代价可能不同。这导致了两种主要的内存模型：一致性内存访问（UMA）和非一致性内存访问（NUMA）。 在UMA（Uniform Memory Access）模型中，所有CPU核心访问内存的速度是相同的，没有明显的局部性优势。这种模型适用于单节点或内存访问延迟差异不大的系统。然而，随着多核CPU的发展，NUMA（Non-Uniform Memory Access）模型应运而生，它考虑了不同CPU核心访问不同内存节点时的差异性。在NUMA系统中，每个CPU核心通常与其附近的内存节点有更快的访问速度，因此，内存分配策略需要优化以减少跨节点的内存访问，从而提高系统效率。 内存管理在Linux中通过复杂的层次结构进行，如图2.2所示，包括NODE、ZONE（如ZONE_DMA、ZONE_NORMAL、ZONE_HIGHMEM和ZONE_MOVABLE）等概念。NODE代表内存节点，对应物理内存条，而ZONE则表示内存的不同区域，用于满足不同类型的内存需求。在Linux内核启动过程中，会进行一系列的内存初始化步骤，如分页机制的设置、per-CPU区域的初始化、节点和域的初始化，以及内核内存分配器的启用。 Linux内核使用伙伴系统（Buddy System）来管理大块内存的分配和回收，该系统通过将空闲页分成对，形成“伙伴”，确保快速地找到合适大小的内存块。此外，slab分配器（如slab、slub、slob）则用于更高效地分配和管理小块内存，避免频繁的大块内存分配与释放带来的开销。slab分配器维护缓存池，预先分配内存块以供快速分配。 在进程虚拟内存管理方面，Linux为每个进程创建独立的虚拟地址空间。这包括对文件映射、虚拟内存区域（VMAs）的操作，如创建和删除地址区间。虚拟内存允许进程拥有独立的地址空间，且可以通过内存映射技术与文件系统交互，实现高效的内存管理和资源共享。 内存管理是操作系统的核心部分，它涉及到物理内存的布局、分配策略、虚拟地址映射等多个层面。Linux通过精心设计的数据结构和算法，如伙伴系统和slab分配器，有效地管理着系统的内存资源，确保了多核环境下的性能和稳定性。了解这些概念对于理解和优化Linux系统的性能至关重要。