内存是计算机系统中至关重要的组成部分，它不仅储存了运行中的程序和数据，还直接关系到系统的性能和稳定性。让我们一起深入探讨Linux系统下内存管理的核心原理，揭开它的神秘面纱。
基础概念
物理地址
- 概念：物理地址是指计算机内存中实际的硬件地址，它对应着计算机中的物理存储单元（如RAM），物理地址是唯一的。内存的一个地址的容量是一个字节（Byte）
- 特点： 物理地址是唯一的，每个物理存储单元都有一个对应的物理地址。
虚拟地址
- 概念：虚拟地址是在程序执行过程中由操作系统提供的地址空间，它不直接对应物理硬件，而是经过虚拟内存系统的映射，最终映射到物理地址上。每个运行的进程都有自己的虚拟地址空间，这使得每个进程认为它拥有整个系统的内存。
- 特点： 虚拟地址具有抽象性，它使得程序无需关心实际的硬件细节，而是可以使用一个相对于程序自身的地址空间。
内存布局
- 32位操作系统：支持32位的地址空间，最多可以寻址2^32个地址，即4GB的内存。
- 64位操作系统： 支持64位的地址空间，最多可以寻址的地址数量为2^64，即128TB。
- 不同位宽的操作系统地址空间的范围也不同，下面的两张图来分别表示它们的虚拟地址空间：
- 每个进程的虚拟内存空间都包括用户空间和内核空间，每个进程都认为它拥有整个系统的内存资源。
- 每个进程的内核空间，其实关联的都是相同的物理内存（公用的）。
内存映射
既然每个进程都有一个这么大的地址空间，那么所有进程的虚拟内存加起来，自然要比实际的物理内存大得多。所以，并不是所有的虚拟内存都会分配物理内存，只有那些实际使用的虚拟内存才分配物理内存，内存分配的机制是通过内存映射来管理的，内存映射支持按段分配和按页分配。
按段分配
分段是比较早提出的，它将整个物理内存划分为若干个不同用途的段，每个段用于存放特定类型的数据，这些逻辑分段包括只读段、数据段、堆段、栈段组成。
- 只读段：包括代码和常量等。
- 数据段：包括全局变量等。
- 堆段：包括动态分配的内存，从低地址开始向上增长。
- 文件映射段： 包括动态库、共享内存等，从高地址开始向下增长。
- 栈段：包括局部变量和函数调用的上下文等。栈的大小是固定的，一般是 8 MB
存在的问题：
- 外部内存碎片：因为分段机制分配的是连续的内存空间，假设有 1G 的物理内存，A程序占用了512MB，B程序占用了128MB，C程序占用了256MB，空闲128MB，B程序关闭了，因为内存不连续，导致没有足够空间在打开一个200MB的程序，就会交换到磁盘，从磁盘换入、唤出效率低下（多个不连续的物理内存空间）。
- 复杂性： 程序员需要管理多个内存段，增加了编程的复杂性。
- 不同段的交叉访问： 由于段之间的独立性，跨越多个段的访问会更加复杂。
按页分配
- 将物理内存和虚拟内存划分为固定大小的页（通常为4KB）
- 操作系统维护一个页表，将虚拟内存的页映射到物理内存的页上。
- 页表（快速、高效）。
- MMU：页表实际上存储在 CPU 的内存管理单元 MMU 中。
- TLB 是MMU 中页表的高速缓存，加速虚拟地址到物理地址的转换，减少对主存（RAM）的访问次数，提高系统性能。
- 多级页表：页的大小是4K，随着内存的增大，页表记录会特别多，为了解决页表项过多的问题，Linux 提供了两种机制，也就是多级页表和大页（HugePage）。
优点
- 消除外部碎片： 由于页是固定大小的，减少了外部碎片的产生。
- 简化内存管理： 操作系统负责页的映射，程序员无需关心具体的内存分配和释放。
- 更好的内存共享： 易于实现页面的共享，不同进程可以共享相同的页。
内存分配与回收
内存分配
进程可以通过调用malloc等函数在堆上动态分配内存。这些内存块的管理由C库提供，但最终涉及到系统调用，如brk和mmap
brk
- 作用：用于调整进程的数据段的结束地址，即扩展或缩小堆的大小。
- 操作对象：操作的是堆空间，对整个数据段的结束地址进行调整。
- 分配粒度：分配的内存是以页为单位的，较大的内存请求可能会导致内部碎片。
- 适用场景：适用于较小的内存分配，比如动态内存分配。
mmap
- 作用：用于在进程的地址空间中映射文件或匿名内存区域。
- 操作对象：可以操作文件映射，也可以用于匿名内存映射，即映射到无关联文件的内存。
- 分配粒度：可以以页为单位进行内存分配，也支持更细粒度的映射。
- 适用场景：适用于大块的内存分配，比如映射大文件、共享内存、内存映射 I/O 等。
内存回收
- 手动回收：调用 free() 或 unmap() 来释放这些不用的内存。
- 自动回收（内存紧张时系统触发）。
- 回收缓存：比如使用 LRU（Least Recently Used）算法，回收最近使用最少的内存页面。
- 回收不常访问的内存：把不常用的内存通过交换分区直接写到磁盘中（Swap）。
- 杀死进程：内存紧张时系统还会通过OOM（Out of Memory）直接杀掉占用大量内存的进程。
- 一个进程消耗的内存越大，oom_score 就越大。
- 一个进程运行占用的 CPU 越多，oom_score 就越小。
# oom_adj 的范围是 [-17, 15]，数值越大，表示进程越容易被 OOM 杀死
# -17 表示禁止 OOM
echo -16 > /proc/$(pidof sshd)/oom_adj结束语
今天我们从概念开始，一点点的展开讲了关于内存映射的两种内存分配机制，以及特点，讲了内存分配和回收，留下几个问题，系统大家一起讨论学习：
- 按页分配下会存在内存碎片吗？为什么？
- Linux 操作系统采用了哪种方式来管理内存呢？
