Linux内存结构
Linux内存结构是操作系统高效管理硬件资源的核心，它通过分层设计和精细划分，实现了对物理内存和虚拟内存的统一调度，理解Linux内存结构，不仅有助于优化程序性能，还能为系统故障排查提供理论依据，以下从物理内存、虚拟内存、内存分配机制、内存回收及优化策略等方面展开分析。
物理内存的抽象与划分
物理内存是系统硬件提供的实际存储空间，但Linux并非直接管理它，而是通过页帧（Page Frame）进行抽象，物理内存被划分为固定大小的块（x86架构中通常为4KB），每个页帧有唯一的物理页框号（PFN），内核通过内存描述符（struct page）结构体跟踪每个页帧的状态，包括是否被占用、所属进程、映射关系等。
物理内存的划分还涉及Zone（内存域）概念，由于不同硬件对内存访问的延迟差异，Linux将内存分为：
- ZONE_DMA：用于支持直接内存访问（DMA）的设备， typically 地址范围在0-16MB；
- ZONE_NORMAL：常规内存，可直接被内核使用；
- ZONE_HIGHMEM：高端内存，用于物理地址超过32位的系统，通过“内核映射”临时访问；
- ZONE_MOVABLE：可移动内存区域，支持内存热插拔和碎片整理。
这种划分确保了硬件兼容性和内存分配效率。
虚拟内存：进程的独立地址空间
Linux采用虚拟内存技术，为每个进程提供独立的、连续的地址空间（32位系统为4GB，64位系统理论上可达128TB），虚拟内存通过页表（Page Table）映射到物理内存，实现进程间的地址隔离和内存共享。
虚拟地址空间分为用户空间和内核空间：
- 用户空间：进程运行时的代码、数据、堆栈等，权限受限，不能直接访问内核空间；
- 内核空间：内核代码和数据驻留区域，所有进程共享，通过系统调用（如
sys_read）进入内核态后访问。
页表是虚拟内存到物理内存的桥梁，每个进程有自己的页表，存储在内存中，由内存管理单元（MMU）硬件加速查找，当进程访问虚拟地址时，MMU通过页表查找对应的物理地址；若页表项无效（如页面未加载），则触发缺页中断（Page Fault），由内核处理页面加载。
内存分配机制：从slab到伙伴系统
Linux内存分配分为内核内存分配和用户空间内存分配，两者采用不同的策略以兼顾效率和灵活性。
伙伴系统：物理内存的核心分配
伙伴系统是Linux物理内存分配的基础，用于管理连续的页帧，其核心思想是：将空闲页帧按2的幂次方大小分组（如1页、2页、4页…），相同大小的页帧组成链表，当请求分配n页时，系统从不小于n的最小分组中分配；若该分组为空，则拆分更大的分组，直到满足需求，释放时，检查相邻页帧是否为伙伴（相同大小且物理地址连续），若是则合并，减少碎片。
伙伴系统解决了外部碎片问题，但无法满足小对象的分配需求，因此引入了slab/slub/slub分配器。
Slab分配器：内核小对象的优化
内核中频繁创建和销毁小对象（如进程描述符task_struct、 inode缓存等），若直接使用伙伴系统，会导致严重的内部碎片，Slab分配器通过缓存（cache）和对象（object）管理：
- 缓存：针对特定对象类型创建（如
task_struct_cachep），包含多个slab（连续的物理页帧，划分为多个相同大小的对象）； - slab：分为满、部分空闲、全空闲三种状态，通过链表管理空闲对象。
Slab分配器复用已分配的对象，减少了初始化和销毁开销，同时避免了内部碎片，现代Linux多采用SLUB分配器（Slab的简化版），进一步优化了性能。
用户空间内存分配：brk与mmap
用户空间的内存分配由C库（如glibc）实现，底层依赖系统调用brk和mmap：
- 堆（Heap）：通过
brk系统调用动态扩展，用于malloc/free分配的大块内存； - 内存映射段（Memory Mapping）：通过
mmap映射文件或匿名内存，用于动态链接库、共享内存等。
当堆空间不足时，malloc会触发brk扩展堆；若请求较大内存（如超过MMAP_THRESHOLD，默认128KB），则直接使用mmap分配独立内存区域，避免堆碎片。
内存回收与交换：应对内存压力
当系统内存不足时，内核需要回收空闲内存或将不常用的内存换出到磁盘，这一过程由内存回收（Reclaim）和交换（Swap）机制实现。
页面回收
Linux通过LRU（Least Recently Used）算法选择回收页面：将页帧分为活跃链表（active）和非活跃链表（inactive），近期被访问的页面加入活跃链表，长时间未访问的移入非活跃链表，回收时优先扫描非活跃链表，若页面为“干净”（未被修改），则直接释放；若为“脏页”，需先写入磁盘。
内核还引入kswapd守护进程，在内存压力较小时异步回收页面，避免同步回收导致进程卡顿。
交换空间
交换空间（Swap）是磁盘上的一块区域，用于临时存放不常用的内存页，当物理内存不足时，内核将部分页面换出到Swap，释放内存供其他进程使用，Swap可以是普通文件（通过swapon启用）或专用分区。
Linux还支持zswap技术，在将页面换出到磁盘前，先压缩并存入内存中的压缩缓存，减少磁盘I/O，提升SSD等高速存储设备的性能。
内存优化策略
针对Linux内存管理，用户和开发者可通过多种策略优化性能：
- 调整内存参数：如
vm.swappiness控制交换倾向（0-100，默认60），vm.dirty_ratio控制脏页回写比例； - 使用大页（Huge Pages）：减少页表项数量，降低TLB miss开销，适合数据库、虚拟化等场景；
- 内存透明大页（THP）：自动将小页合并为大页，但可能因内存碎片导致性能波动，可通过
echo never > /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled禁用； - NUMA优化：在多路服务器中，通过
numactl将进程绑定到本地节点内存，减少跨节点访问延迟。
Linux内存结构通过分层抽象、动态分配和智能回收，实现了高效、稳定的内存管理，理解其底层原理，不仅能帮助开发者写出更高效的程序,还能为系统调优和故障诊断提供关键思路。
