理解linux內存管理首先得理解內存映射。轉自：http://blog.chinaunix.net/uid-27119491-id-3282175.html
程序用的都是邏輯地址，以下爲objdump反彙編程序的結果，左邊一列都是邏輯地址：
- 000000000040053c:
- 40053c: 55 push %rbp
- 40053d: 48 89 e5 mov %rsp,%rbp
- 400540: bf 4c 06 40 00 mov $0x40064c,%edi
- 400545: e8 e6 fe ff ff callq 400430
- 40054a: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax
- 40054f: c9 leaveq
- 400550: c3 retq
在vmcore中，我們看到內存地址也是邏輯地址：
- crash> bt 1300
- PID: 1300 TASK: ffff81024fba1810 CPU: 0 COMMAND: "sshd"
- #0 [ffff81026a2e9cd8] schedule at ffffffff802d9025
- #1 [ffff81026a2e9da0] schedule_timeout at ffffffff802d9a6b
- #2 [ffff81026a2e9df0] do_select at ffffffff801935f2
- #3 [ffff81026a2e9ed0] sys_select at ffffffff80193880
- #4 [ffff81026a2e9f80] system_call at ffffffff8010ad3e
MMU固件完成邏輯地址到物理地址的轉換：
從上圖看到轉換分成兩部分，段式內存管理將邏輯地址轉換成線性地址，線性地址再經過頁式內存管理單元轉換成物理地址。
對於intel x86架構的cpu，段的基址爲0，段式內存管理並不真正起作用，我們看到的邏輯地址可以理解爲就是線性地址。
線性地址到物理地址的轉換關係，由內核中的頁表(page table)維護，下圖說明了線性地址轉換成物理地址的過程：
寄存器cr3中保存了進程的頁基地址，它是物理地址，每個進程的頁基地址都不相同，通過這樣實現進程間物理地址空間隔離。
64位操作系統中，線性地址各段長度在中定義。
以上計算地址的“＋”操作由cpu完成，而頁表由內核維護。
進程內存佈局
對於32位操作系統，進程的內存佈局如下：
我們使用c庫的malloc申請內存時，malloc調用brk()或mmap()實現堆(heap)或映射區域(memory mapping segment)的增長。
用malloc申請內存，其實申請到的不是真正的內存，而是虛擬內存，當程序使用這些內存的時候，將出發缺頁異常，內核這時才分配物理內存頁面給用戶。
內核中，由do_page_fault函數處理缺頁異常，do_page_fault調用handle_mm_fault，該函數中計算線性地址中的pgd、pud、pmd和pte值，然後調用handle_pte_fault，在handle_pte_fault函數中，調用do_anonymous_page等函數完成內存申請工作。
pmap命令讀取/proc/PID/maps文件，使用該命令可以查看特定進程的內存映射情況，以下爲當前bash進程的部分堆、棧、文件映射和匿名內存段信息：
- linux # pmap $$
- 7561: bash
- START SIZE RSS PSS DIRTY SWAP PERM MAPPING
- 0000000000400000 552K 480K 248K 0K 0K r-xp /bin/bash
- 000000000068f000 1180K 1104K 1104K 1104K 0K rw-p [heap]
- 00007fd7397b9000 20K 16K 16K 16K 0K rw-p [anon]
- 00007fd7399c0000 4K 4K 4K 4K 0K r--p /lib64/libdl-2.11.1.so
- 00007fff5ec37000 84K 24K 24K 24K 0K rw-p 0000000000000000 00:00 [stack]
以上pmap結果顯示的每個地址段，在內核中由vm_area_struct結構表示，vm_area_struct結構在中定義，該結構包含地址段起始地址、結束地址、權限標誌等信息。
vmcore中，通過以下方法，我們可以找到某個進程的vm_area_struct結構，查看其內存映射信息。
首先獲取到進程task_struct結構的地址：
- crash> bt
- PID: 1300 TASK: ffff81024fba1810 CPU: 0 COMMAND: "sshd"
- ……
找到mm或active_mm字段的值：
- crash> struct task_struct ffff81024fba1810
- struct task_struct {
- ……
- mm = 0xffff810273d6ef80,
- active_mm = 0xffff810273d6ef80,
- ……
- }
解析mm地址對應的mm_struct結構，第1個字段就是mmap：
- crash> struct mm_struct 0xffff810273d6ef80
- struct mm_struct {
- mmap = 0xffff810272b20870,
- ……
- }
解析mmap地址對應的vm_area_struct結構，就找到了該進程的一段內存映射，繼續解析vm_next，就可以遍歷該進程的所有內存映射：
- crash> struct vm_area_struct 0xffff810272b20870
- struct vm_area_struct {
- vm_mm = 0xffff810273d6ef80,
- vm_start = 47474870689792,
- vm_end = 47474870800384,
- vm_next = 0xffff810276839b50,
- ……
- }
夥伴算法
對內核而言，內存最小的分配單位爲4k，爲解決外部碎片問題，內核提供了夥伴算法(buddy algorithm)，夥伴算法用於管理最小單位爲4k的連續的內存塊。
使用以下命令，可以將系統中內存相關的信息顯示到/var/log/messages和dmesg中：
- echo m > /proc/sysrq-trigger
由該命令打出的信息中，包含了夥伴算法管理的內存塊信息：
- Jul 20 01:38:39 linux197 kernel: Node 0 Normal: 1362*4kB 1137*8kB 491*16kB 336*32kB 192*64kB 100*128kB 69*256kB 34*512kB 14*1024kB 3*2048kB 795*4096kB = 3370112kB-
以上輸出說明4kB的內存有1362塊，8kB的連續內存有1137塊，以此類推。
夥伴算法分配與回收內存的策略如下：
- 當所需的小塊連續內存不足以分配時，將拆分較大塊的連續內存塊
- 當內存返回給內核時，若相鄰的內存塊爲空閒內存，則與相鄰的內存合併
slab
slab解決內部碎片問題，申請一塊保存task_struct結構的內存，該塊內存小於4k，而分配出去的內存若還是4k，則會造成內存浪費。
slab依據內核中各種數據結構爲單位，進行內存分配。/proc/slabinfo提供了查詢slab信息的接口。
對於系統內存的整體使用情況，我們可以通過/proc/meminfo接口查到：
- cat /proc/meminfo
- MemTotal: 8110624 kB
- MemFree: 6336284 kB
- Buffers: 78020 kB
- Cached: 1514352 kB
- ……
free命令就是讀取/proc/meminfo，進行內存信息顯示的。
buffers用於塊設備緩存，cached用於文件緩存。查看內核中的meminfo_proc_show函數，我們就能發現buffers與cached的具體計算方法。
執行以下dd命令，我們可以看到free命令中buffers值的增長：
- dd if=/dev/sda2 of=/dev/null bs=1000 count=10000000
內存回收
對於linux server，以下兩種情況會觸發內核通過頁幀回收算法(page frame reclaiming algorithm, PFRA)進行內存回收：
- 內存使用緊張
- 內核線程kswapd週期性回收
回收內存的方式大體有兩種：
- 丟棄數據
- 將數據交換出去
下圖說明了內核中回收內存相關的函數調用：
Reference: Chapter 12 - Memory Management, Linux kernel development.3rd.Edition
