Linux物理内存管理
Linux内存管理Linux version: 2.4.18By 金正操目录0 前言 (2)1 物理页框管理 (2)1.1 物理内存中的page（or page frame） (3)flags (4)1.2 Zone (5)free_area (7)zone_pgdat (8)1.3 Node (8)node和zone的关系 (9)1.4 bootmem分配器 (10)1.4.1 初始化 (11)init_bootmem (13)init_bootmem_core (13)1.4.2 bootmem分配器分配接口 (14)__alloc_bootmem_core (15)分配接口总结 (18)1.4.3 bootmem分配器释放接口 (19)free_bootmem_core (20)free_all_bootmem_core (21)1.5 buddy分配器 (22)1.5.1 初始化 (23)free_area_init (23)free_area_init_core (24)build_zonelists (28)1.5.2 buddy分配函数 (29)__alloc_pages (30)rmqueue (33)expand (34)1.5.3 __free_pages_ok函数 (35)2 Slab分配器 (35)2.1 Slab (35)2.1.1 slab着色 (38)2.2 Cache (38)2.2.1 创建cache (41)2.2.2 cache分配接口 (45)3 非连续内存分配 (45)3.1 初始化 (47)3.2 分配接口vmalloc/vmalloc_dma/vmalloc_32 (47)__vmalloc (47)get_vm_area (48)vmalloc_area_pages (48)alloc_area_pmd (49)alloc_area_pte (50)3.3 释放接口vfree (50)vmfree_area_pages (51)free_area_pmd (51)free_area_pte (52)3.4 读写接口vread/vwrite (53)4 High Memory Mapping（kmapper） (53)4.1 初始化 (54)kmap_init (55)fixrange_init (56)4.2 kmap接口 (56)kmap_high (57)5 参考文档 (57)0 前言本文档只针对kernel 2.4.18内存管理。
忽略有关DEBUG，SMP以及CONFIG_X86_PAE 部分代码。
操作系统对于内存管理通常分成2个主要部分：物理内存管理，以及虚拟内存管理。
物理内存管理的目的是有效管理物理内存，虚拟内存管理的目的对用户进程的虚拟地址空间进行管理。
虚拟内存管理具有如下的特点：·应用程序可以使用比物理内存大的地址空间·每个进程都拥有独立的虚拟地址空间·不能越界访问·各个进程间独立运行·每个进程的地址空间映射相互独立·在运行时，代码可以不用全部载入到物理内存才能运行·使用请求页·虚拟地址空间到物理地址空间的转换·mmu·page table·TLB1 物理页框管理物理内存是有限的宝贵资源，如何有效管理，充分利用物理内存是操作系统的基本要求之一。
在现有的物理内存分配算法中，通常是以page frame（页框）为单位进行的。
在Linux中也是如此。
对于如何管理物理内存的几种方法，请参考[4]。
采用页为单位进行分配，会带来2个问题：·如何解决页外碎片问题·如何解决页内碎片问题这2个问题的目的是提高物理内存的利用率，同时又要达到高效的目的。
Linux采用buddy系统来解决页外碎片，采用slab分配器来解决页内碎片。
同时Linux采用了Node，Zone和page三级结构来描述物理内存的。
buddy系统是建立在这三级结构之上的。
slab同时又在buddy系统之上管理着物理页之内的内存请求（小内存分配）。
在buddy分配器初始化之前，使用Bootmem分配器进行简单的内存分配回收工作。
start_kernel中的初始化工作就是要初始化所有内存管理，使得内存管理模块准备就绪。
和内存管理相关的初始化工作如下：start_kernel|--> setup_arch |--> init_bootmem| |--> paging_init |--> pagetable_init| |--> kmap_init| |--> free_area_init|--> kmem_cache_init|--> mem_init|--> kmem_cache_sizes_init1.1 物理内存中的page（or page frame）Linux中，页的大小默认是4k。
页也叫页框，注意和线性地址空间的页区分开来。
为什么以page frame作为内存管理的最小单位，其原因是多方面的，其中最重要的原因是现行体系结构中的mmu单元就是以page为单位处理。
物理页描述符描述了一个物理页框：include/linux/mm.htypedef struct page {struct list_head list; /* ->mapping has some page lists. */struct address_space *mapping; /* The inode (or ...) we belong to. */unsigned long index; /* Our offset within mapping. */struct page *next_hash; /* Next page sharing our hash bucket inthe pagecache hash table. */ atomic_t count; /* Usage count, see below. */unsigned long flags; /* atomic flags, some possiblyupdated asynchronously */ struct list_head lru; /* Pageout list, eg. active_list;protected by pagemap_lru_lock !! */wait_queue_head_t wait; /* Page locked? Stand in line... */struct page **pprev_hash; /* Complement to *next_hash. */struct buffer_head * buffers; /* Buffer maps us to a disk block. */void *virtual; /* Kernel virtual address (NULL ifnot kmapped, ie. highmem) */ struct zone_struct *zone; /* Memory zone we are in. */} mem_map_t;成员变量说明：list 双向链表指针，当该页映射inode的时候，指向mapping中的三个链表之一。
这三个链表是clean_pages，dirty_pages，locked_pages。
mapping 指向映射的inodeindex 指向映射inode的偏移量next_hash 页高速缓存散列表的下一项，指向page_hash_table。
count 引用数flags 页标志lru lru双向链表指针，指向inactive_list或者active_list。
wait 等待队列pprev_hash 页高速缓存散列表的前一项，指向page_hash_table。
buffers 当该页被用作磁盘块缓存时，指向缓存头部virtual 该页的虚地址zone 该页所属的zone所有的物理页描述符都存储在全局变量mem_map数组中。
free_area_init为描述符分配空间并初始化页描述符。
flags对于页标志，所有的宏定义都在linux/mm.h中。
宏定义都使用PG_xxx开头。
#define PG_locked 0 /* Page is locked. Don't touch. */#define PG_error 1#define PG_referenced 2#define PG_uptodate 3#define PG_dirty 4#define PG_unused 5#define PG_lru 6#define PG_active 7#define PG_slab 8#define PG_skip 10#define PG_highmem 11#define PG_checked 12 /* kill me in 2.5.<early>. */#define PG_arch_1 13#define PG_reserved 14#define PG_launder 15 /* written out by VM pressure.. */PG_locked 当某个IO过程启动时，如果此页参与IO操作，需要设置。
当IO操作完成的时候，清除该标志。
PG_error 当IO操作在该页上失败，设置该标志。
PG_referenced 当IO操作刚访问过该页的时候，可以设置该标志位。
当kswapd启动时，准备回收物理页的时候，将忽略该页，不会将其换出。
但是kswapd会清除该标志。
参考refill_inactive函数。
PG_uptodate 成功从磁盘读入该页，设置该标志。
PG_dirty 该页内容被修改，还没有更新到磁盘时，设置该标志。
PG_unused 保留，该标志真的没有用。
PG_lru 当该页在inactive_list或者active_list链表中时，设置该标志。
PG_active 当该页在active_list时，设置该标志位。
PG_slab 当该页被slab分配器使用时，设置该标志。
PG_skip 在sparc/sparc64平台上使用该标志。
PG_highmem 该页处在high memory区域，zone highmem中的所有页框都要设置该标志。
该标志一旦被设置，不能被修改。
PG_checked 只被ext2文件系统使用。
PG_arch_1 平台相关标志，x86没有使用。
linux,内核的物理内存分配的基本方式
Linux内核的物理内存分配基本方式在Linux内核中，物理内存分配的基本方式可以通过以下几个方面进行解释。
1. 内核启动阶段的物理内存分配在Linux内核启动阶段，内核需要为自身和各个子系统分配物理内存。
这个过程包括以下几个步骤：•内核从BIOS或者bootloader中获取系统的物理内存信息。
•内核根据系统的内存布局，将物理内存分成多个区域，如低端内存、高端内存等。
•内核为自身分配一部分物理内存，包括内核代码、数据、堆栈等。
•内核为各个子系统分配物理内存，如设备驱动、文件系统等。
2. 动态分配物理内存在运行时，Linux内核还需要动态分配物理内存来满足进程和内核的需求。
这个过程包括以下几个关键点：页框分配：内核使用页框作为最小的内存分配单位。
当一个进程或内核需要分配物理内存时，内核会使用页框分配算法来选择可用的物理页框。
页框可以通过使用位图或者链表等数据结构来管理。
伙伴系统：为了高效地管理和分配物理内存，Linux内核采用了伙伴系统。
伙伴系统将整个物理内存空间分成不同大小的块（通常是2的幂次方），每个块称为一个伙伴块。
当一个进程需要分配内存时，内核会在合适的伙伴块中找到一个合适大小的块来满足需求。
页面回收：当物理内存不足时，Linux内核会使用页面回收机制来回收部分物理内存。
页面回收可以通过将不再使用的内存页面写回硬盘，或者将内存页面移动到交换分区来实现。
回收后的物理内存可以重新分配给其他进程或内核使用。
3. 内存管理算法为了高效地管理物理内存，Linux内核采用了一些内存管理算法。
其中一些重要的算法包括：最先适应算法（First Fit）：内核首先查找第一个满足分配要求的伙伴块。
这个算法简单直观，但可能导致伙伴块的碎片化。
最佳适应算法（Best Fit）：内核在所有可用的伙伴块中选择最小的一个来满足分配需求。
这个算法可以减少碎片化，但需要更多的搜索开销。
循环首次适应算法（Next Fit）：内核在上一次分配的位置开始搜索，直到找到第一个满足分配要求的伙伴块。
linux的内存管理器任务和职责
linux的内存管理器任务和职责
Linux的内存管理器的任务和职责如下：
1. 分配和回收内存：Linux的内存管理器负责分配和回收系统的物理内存。
它根据需要将内存分配给进程和系统服务，当它们不再需要时，将它们释放回内存池。
2. 内存映射和交换：内存管理器对于内存映射和交换也负有主要职责。
内存映射是将文件映射到虚拟内存空间或将虚拟内存空间映射到设备文件的过程。
交换则是将不再活跃的进程的内存数据移到磁盘中，以释放物理内存。
3. 内存页缓存：内存页缓存可以提高文件系统的性能，内存管理器可以管理这些缓存，确保缓存的内容始终与磁盘上的文件同步。
4. 虚拟内存管理：内存管理器负责将虚拟内存空间映射到物理内存，同时还需要处理由于内存不足而产生的页面置换和页面调度。
5. 保护和安全性：内存管理器通过设置页面权限位和进行用户空间和内核空间之间的分离来提供保护和安全性。
linux 系统内存相关指令
在Linux系统中，有一些常用的命令可以用来查看和管理内存。
以下是一些常见的Linux内存相关指令：
1. free：显示系统内存使用情况和交换空间使用情况。
示例：`free -h`
2. top：实时显示系统进程和内存使用情况。
示例：`top`
3. vmstat：显示系统虚拟内存统计信息，包括内存使用情况、I/O等。
示例：`vmstat`
4. ps：显示系统进程状态，包括进程的内存使用情况。
示例：`ps aux`
5. pmap：显示进程的内存映射情况。
示例：`pmap <pid>`
6. smem：综合显示系统内存使用情况，包括物理内存、共享内存、缓存等。
示例：`smem -r`
7. sar：系统活动报告，包括CPU、内存、磁盘等性能信息。
示例：`sar -r`
8. top命令中按下"Shift+m"：按内存使用量排序显示进程列表。
示例：启动top命令后，按下Shift键再按m键。
这些命令可以帮助您了解系统当前的内存使用情况和进程的内存占用情况。
请注意，具体命令的参数和输出可能会因不同的Linux发行版和版本而有所不同。
您可以通过查阅相关文档或使用命令的帮助选项来获取更多详细信息。
linux 内存不足的解决方法
linux 内存不足的解决方法
当Linux系统遇到内存不足的情况时，可以采取以下一些解决方法：
1. 释放内存：可以通过结束不必要的进程或服务来释放内存。
可以使用命令如kill或systemctl停止不需要的进程或服务。
2. 优化内存使用：检查系统中是否有内存占用过高的进程或服务，通过优化它们的配置或使用更高效的算法来减少内存使用量。
3. 增加物理内存：如果系统频繁出现内存不足的情况，可以考虑增加物理内存。
这可以通过添加更多的内存条或更换更大容量的内存条来实现。
4. 使用交换空间：Linux系统可以使用交换空间（swap）来扩展可用内存。
可以通过创建和启用交换分区或交换文件来增加交换空间。
但是，使用交换空间会导致性能下降，因此它只适合临时解决内存不足的情况。
5. 优化内存管理：通过调整内核参数，如vm.swappiness和vm.overcommit_memory，可以优化Linux系统的内存管理策略，以更好地利用可用内存。
6. 使用内存压缩技术：一些Linux发行版支持内存压缩技术，如zswap和zram，可以将一部分内存数据进行压缩，从而提高可用内存的效率。
7. 限制内存使用：对于一些应用程序或服务，可以通过限制其可用内存来避免系统内存不足的情况。
可以使用工具如cgroups或
ulimit来设置内存限制。
需要根据具体情况选择适合的解决方法。
建议在进行任何更改之前，先进行充分的备份和测试，以避免可能的问题和风险。
linux ion用法 -回复
linux ion用法-回复Linux中的ion是一种内存管理机制，它为用户空间程序提供了一种将块分配到非连续的物理内存上的能力。
Ion是Linux内核中的一个子系统，最早是为了支持Android开发而引入的，但现在已经成为标准的Linux 内存管理特性之一。
本文将详细介绍Ion的用法、工作原理以及如何在Linux中使用Ion来管理内存。
一、Ion的用途和特点Ion是一种用于管理内存的机制，它的主要用途是为用户空间程序提供一种将块分配到非连续的物理内存上的能力。
Ion具有以下特点：1. 支持用于图形处理、多媒体等应用的大块扩展内存。
2. 可以使用物理内存和设备内存进行交互，以支持离屏渲染、图像拼接等操作。
3. 可以将数据存储在物理内存和设备内存之间进行自动迁移，以实现高性能和低功耗。
4. 提供了用户空间的内存分配、映射和释放等接口，方便开发者进行内存管理。
二、Ion的工作原理Ion的核心是一个内核模块，它提供了一系列的API接口供用户空间程序使用。
用户空间程序可以通过这些接口来分配、映射和释放内存。
具体来说，Ion的工作原理可以分为以下几个步骤：1. 初始化：用户空间程序首先需要初始化Ion子系统，可以通过调用ion_device_open()函数来获取一个Ion设备句柄。
2. 分配内存：一旦获取了Ion设备句柄，用户空间程序就可以使用ion_alloc()函数来分配内存。
在分配内存时，可以指定内存的大小、对齐方式和属性等参数。
3. 映射内存：分配到的内存在使用之前需要进行映射。
用户空间程序可以使用ion_map()函数将分配到的内存映射到自身的地址空间。
4. 使用内存：映射成功后，用户空间程序就可以使用这块内存进行读写操作了。
5. 释放内存：一旦不再需要这块内存，用户空间程序可以使用ion_free()函数将内存释放回Ion子系统。
三、使用Ion管理内存在Linux中，使用Ion管理内存主要有以下几个步骤：1. 安装Ion模块：首先需要确认系统中是否已经安装了Ion模块。
linux中内存优化的方法
linux中内存优化的方法如何在Linux系统中进行内存优化引言:在Linux系统中，内存管理是非常重要的一项任务，它直接影响着系统的性能和稳定性。
一个高效的内存管理策略可以提高系统的吞吐量，减少延迟，提高响应速度。
本文将介绍一些常用的方法和策略，帮助用户进行Linux系统的内存优化。
一、了解Linux内存管理机制在开始优化内存之前，我们需要了解Linux的内存管理机制。
Linux内核使用页面机制来管理内存，将物理内存划分为一个个大小相等的页面。
Linux使用页表来记录页面的使用情况，并采用虚拟内存管理技术将其与物理内存映射起来。
内核根据页面的使用情况来管理内存，包括页面分配、页面回收和页面交换等。
二、观察和分析内存使用情况在进行内存优化之前，我们需要了解当前系统的内存使用情况。
可以通过工具如top、free等来观察系统的内存占用情况。
在观察内存占用时，需要注意以下几个指标：总内存使用量、空闲内存量、缓存和缓冲区使用量、交换内存使用量等。
这些指标可以帮助我们判断系统是否存在内存不足或内存泄漏等问题。
三、优化内存分配策略Linux内存管理机制中的一项重要任务是内存分配。
优化内存分配策略可以使系统更加高效地利用内存资源。
以下是一些常用的内存分配优化策略：1. 预分配内存池：对于需要频繁分配和释放内存的应用程序，可以使用内存池技术进行优化。
通过预先分配一块连续的内存空间，应用程序可以直接从内存池中获取内存，而不需要频繁的内存分配和释放操作，从而提高效率。
2. 使用伙伴系统算法：Linux内存管理中使用伙伴系统算法来分配大块的内存页。
这个算法将可用内存分成不同的块，每个块的大小都是2的幂次方。
应用程序可以使用kmalloc函数来分配和释放这样的内存块，而不需要频繁地进行页表的更新操作。
3. 避免过度分页：在Linux中，过度分页会导致额外的开销，降低系统的性能。
可以通过合理设置分页大小来避免过度分页。
同时，可以使用Transparent Huge Pages（THP）来减少页表的数量，提高内存的访问效率。
实验8Linux的内存管理
内存管理的概念
内存管理的定义
内存管理是指操作系统对计算机内存 资源的分配、回收、保护和扩充等一 系列操作，以确保系统高效、稳定地 运行。
内存管理的目标
提高内存利用率，减少内存碎片，实 现多任务环境下的内存共享和保护， 以及提供虚拟内存等。
Linux内存管理的特点
分段和分页机制
Linux采用分段和分页机制来管理内存，将物理内 存划分为大小相等的页框，同时将进程地址空间 划分为多个段，每个段对应一个页表项，实现地 址空间的隔离和权限控制。
。
03 通过实验操作和观察，加深对Linux内存管理的 理解和认识。
实验环境
操作系统
Linux（建议使用Ubuntu或CentOS等常见发行版 ）
开发工具
GCC编译器、GDB调试器、Valgrind内存检测工 具等。
实验材料
一台配置有Linux操作系统的计算机，具备基本的 编程和调试能力。
02
Linux内存管理概述
VS
共享内存的实现方式
在Linux中，共享内存可以通过shmget() 、shmat()和shmdt()等系统调用来实现 。首先，使用shmget()函数创建一个共 享内存段；然后，使用shmat()函数将共 享内存段连接到当前进程的地址空间；最 后，使用shmdt()函数将共享内存段从当 前进程的地址空间中分离。
06
内存优化与性能提升
内存泄漏问题及其解决方案
内存泄漏定义
内存泄漏是指程序在申请内存后，未能正确释放，导致系统内存逐 渐耗尽的现象。
检测工具
使用Valgrind等内存检测工具，可以检测程序中的内存泄漏问题。
解决方案
及时释放不再使用的内存，避免不必要的内存申请，采用智能指针等 RAII技术来管理内存。
Linux的内存管理
total Mem: 256024 −/+ buffers/cache: Swap: 522072
used 192284 80604
free 63740 75420
shared 0
buffers 10676
cached 101004
0
522072
表8-1中第二行输出（Mem:）显示物理 中第二行输出（Mem:） 内存：total列显示共有的可用内存 列显示共有的可用内存（ 内存：total列显示共有的可用内存（不显示 核心使用的物理内存，通常大约1MB）， 核心使用的物理内存，通常大约1MB）， used列显示被使用的内存总额 free列显示 used列显示被使用的内存总额，free列显示 列显示被使用的内存总额， 全部空闲的内存，shared列显示多个进程共 全部空闲的内存，shared列显示多个进程共 享的内存总额，buffers列显示磁盘缓存的当 享的内存总额，buffers列显示磁盘缓存的当 前大小。 前大小。 表8-1中第二行输出（Swap）显示交换 中第二行输出（Swap） 空间的信息，与上一行类似。 空间的信息，与上一行类似。如果该行为全 0，则没有使用交换空间。 则没有使用交换空间。
1．实时监控内存使用情况 （1）在命令行用“free”命令监控内存使 在命令行用“ 用情况
在提示符后输入命令free：＃ 在提示符后输入命令free：＃free ：＃free 表8-1所示为输出情况。 所示为输出情况。
表8-1
一个256MB的RAM和512MB交换空间的系统情况 的 一个 和 交换空间的系统情况
Linux的内存管理 Linux的内存管理
一、实验目的 二、实验工具与设备 三、实验预备知识 四、实验内容和步骤 五、实验总结
【Linux检测内存、管理内存】--【free、ps、kill命令】
Linux内存检测方法—ps命令
使用Linux命令回收内存，我们能够使用Ps、 Kill两个命令检测内存使用情况和进行回收。在 使用终极用户权限时使用命令“Ps”，他会列出 任何正在运行的程式名称，和对应的进程号 （PID）。
示例
为了高效率回收内存能够使用命令ps 参数v：
Linux内存回收方法—kill命令
Kill命令的工作原理是：向Linux操作系统 的内核送出一个系统操作信号和程式的进 程号（PID）。 示例
Free命令
第二行描述应用程序的内存使用： 前个值表示-buffers/cache——应用程序使 用的内存大小，used减去缓存值 后个值表示+buffers/cache——所有可供应 用程序使用的内存大小，free加上缓存值 注: -buffers/cache=used-buffers-cached +buffers/cache=free+buffers+cached 第三行表示swap的使用： used——已使用 free——未使用
3、Linux 内存监控内存泄露的检 测和回收
对于内存溢出之类的麻烦可能大家在 编写指针比较多的复杂的程式的时候就会 碰到。在 Linux 或 unix 下，C、C＋＋语 言是最使用工具。但是我们的 C++ 程式 缺乏相应的手段来检测内存信息，而只能 使用 top 指令观察进程的动态内存总额。 而且程式退出时，我们无法获知任何内存 泄漏信息。
从用户使用程式的角度来看，内存泄漏本 身不会产生什么危害，作为一般的用户， 根本感觉不到内存泄漏的存在。真正有危 害的是内存泄漏的堆积，这会最终消耗尽 系统任何的内存。以下就介绍下Linux 内 存监控内存泄露和回收内存的方法。
Linux操作系统中的内存管理和优化技术
Linux操作系统中的内存管理和优化技术在Linux操作系统中，内存管理是一项非常重要的任务。
因为在计算机系统中，内存是最主要的资源之一，也是最容易被浪费或滥用的资源之一。
因此，在Linux系统中要做好内存管理，就必须要清楚该系统如何使用内存、怎样管理内存，以及如何优化内存使用。
一、Linux内存的分类在Linux系统中，我们一般将内存分为两种类型：物理内存和虚拟内存。
物理内存是指计算机实际存在的内存，而虚拟内存是指计算机中的硬盘空间，它在计算机中被用作为一种虚拟化内存的技术。
这种技术使得计算机可以虚拟出额外的内存空间，从而提高系统的内存使用效率。
二、Linux内存的使用在Linux系统中，内存不是一次性分配给所有程序使用的，而是按需分配的。
当系统需要更多内存时，它会从空闲的内存中分配出一部分，然后再使用这些内存来支持系统进程和应用程序。
此外，Linux系统中还有一个内存缓存，它可以帮助系统将经常被访问的数据存储在内存中，以便快速响应用户请求。
三、Linux内存管理在Linux系统中，内存管理模块负责管理系统的内存使用。
这个模块会跟踪系统内存使用情况，并将一部分内存分配给正在运行的进程和应用程序。
此外，如果系统内存使用过量，内存管理模块还能回收不必要的内存，并将其分配给更需要的进程或应用程序。
四、Linux内存优化技术1. 内存调整在Linux系统中，我们可以使用内存调整技术来优化内存使用。
这种技术可以通过修改内核参数来增加系统的内存使用效率。
我们可以使用sysctl命令来修改内核参数。
2. 内存抖动在Linux系统中，如果内存使用过量，就会出现内存抖动的情况。
内存抖动是指系统频繁地将一页内存从内存中换出，然后再将其换入内存。
这种过程会导致系统速度变慢，因此我们需要采取一些措施来优化内存使用。
我们可以在系统中使用Swap分区和Swap文件来降低内存抖动的风险。
3. 内存清理在Linux系统中，我们可以使用内存清理技术来优化内存使用。