Linux内核内存管理详解：页替换与分区分配

“Linux内核内存管理是操作系统核心的重要组成部分，主要涉及了页面替换逻辑、页面类型与组织、页面回收策略以及内存区域（Zone）的分配等核心概念。本文由Linux开发者Wu Fengguang在2009年的AKA kernel conference上分享，深入解析了Linux内核如何管理和优化内存资源。” 在Linux内核中，内存管理是确保系统高效运行的关键。它涉及到多个层面，包括对物理内存的分配、释放和优化，以满足各种进程和硬件设备的需求。以下是其中几个主要的知识点： 1. 页面类型和组织：Linux内核将内存划分为不同类型的页面，如DMA（直接内存访问）用于设备驱动，NORMAL页面用于普通内存需求，而HIGHMEM则用于处理超过32位地址空间的大容量内存。这些页面按照特定的组织结构进行管理，以便于内存分配和回收。 2. 页面回收逻辑（Page Reclaim Logic）：当系统内存不足时，内核需要通过页面回收来释放内存。这一过程涉及LRU（最近最少使用）列表，将不再使用的页面（如文件缓存）移至交换空间或完全释放，以腾出空间供其他进程使用。页面回收策略复杂且优化，旨在最小化磁盘I/O并保持系统响应性。 3. 内存区域（Memory Zones）：Linux内核根据内存的物理位置将其划分为不同的内存区域，如DMA、DMA32、NORMAL和HIGHMEM。每个区域都有其特定的地址范围和用途，例如，DMA区域用于支持32位地址的直接内存访问设备。内存分配时，会根据指定的GFP（Get Free Pages）标志选择合适的区域。 4. 分区页面分配（Zoned Page Allocation）：内存分配不是全局进行，而是按照zone fallback order进行。例如，如果一个进程请求一个__GFP_DMA页面，但DMA区域没有足够的空闲页面，那么分配器会尝试在DMA32区域找，如果还是不足，再继续尝试NORMAL区域，直到找到可用页面为止。这种分层分配策略有助于平衡不同区域的负载。 5. LRU缓存：LRU（Least Recently Used）缓存包含了活动页面和不活跃页面的列表，分为active和inactive两部分。通过监控这些列表，内核可以决定哪些页面应该被换出到磁盘，哪些应该保持在内存中，以优化系统性能。 以上内容概述了Linux内核内存管理的基础框架，但实际的内存管理系统远比这复杂，包括页面分配策略、锁机制、页表管理等多个方面。理解这些机制对于系统调优和解决内存相关问题至关重要。