[干货学习]好图 Linux内存管理学习笔记
作者一个故事@MySQL DBA
1. 笔记导语
Linux MM是一个比较猥琐的体系，虽然理论不太多，但是细节非常多。要从底层物理内存管理到上层虚拟内存管理整个关节打通，一方面需要较多底层架构知识、还需要很深的Linux知识。既然是学习笔记，先说一下我的学习资料：
1.Linux Memory Management David A Rusling 这本书很老了，当时的Kernel还是2.0.33版本的；这本书的优点在于抽象得很到位，把Linux_MM的基本模块、思想都通俗易懂的介绍了一遍。这也是kernel-docs.txt中推荐的读物之一；
2.《Understanding the Linux Kernel, 3rd Edition》中的第二、八、十七章这是基于2.6内核，非常有参考价值，介绍得非常细致，可以结合内核的源代码一起来看。
3.Linux Source Code 只看了几个自己关心的函数，
2. 基本框架
上面是一幅简图，后面会分别介绍，Kernel如何使用内存、Kernel如何管理分配内存、用户空间的内存管理。对于其中的一些细节则会单独介绍，例如大页内存，内存回收算等等。
3. Linux启动与内存管理
开机的第一个过程是BIOS自检，BIOS使用0x00000000到0x10000（1MB）内存，这1MB内存包括了自检程序、自检结果、还留一部分给显示设备使用；自检完成后，开始载入Linux内核，Linux从1MB开始使用物理内存，一般5MB就足够了，在内核的符号信息中可以看到，Linux内核从_text开始，_edata处结束
$more /boot/System.map-2.6.9-55.ELsmp|grep "\ _text$\|_etext$\| _edata$\| _end$"
ffffffff80100000 A _text
ffffffff80310399 A _etext
ffffffff80456aa8 A _edata
4. 物理内存组织
先声明一下，这里说的Linux都是运行Intel X86架构的。从80386开始，为了更好支持内存管理、虚拟内存技术，x86架构开始支持处理器的分页模式（分页是基于分段）。系统将内存分为一个个固定大小的块，称作“page frames”，x86架构每一个“page frames”大小为4096字节。Linux中使用struct page结构来描述一个“page frames”【链接中给出了2.6.18内核下的Page结构】，一个Page结构对应了一个物理内存页。
在Linux中，所有的struct page对象都放在一个数组mem_map，mem_map每一个元素对应一个Page。
5. NUMA下的内存结构
在NUMA架构下，系统根据CPU的物理颗数，将内存分成对应的Node。例如，两颗物理CPU，16GB内存的硬件：系统则将内存分成两个8GB，分别分配给两颗CPU：
my111.cm3:/root>#numactl --hardware
available: 2 nodes (0-1)
node 0 size: 8065 MB
node 1 size: 8080 MB
每一个Node，系统又将其分为多个Zone，64位x86架构下（参考:8.1.5），分为两个ZONE_DMA（低16MB，）、ZONE_NORMAL（其余内存）。所以NUMA架构下的内存分配，也就是在各个zone分配内存。
6. 内存分配函数栈
从底层系统的角度，内存分配有如下函数（这里介绍的底层函数，和上层函数的关系，以后再介绍）：
这里来调查一下函数alloc_pages都做了些什么，都调用了哪些函数：
free_area是一个底层保存空闲内存页的数组，有着特殊的结构，它也是内存分配Buddy system的核心变量。
7. get_page_from_freelist和zone_reclaim_mode
上面函数get_page_from_freelist【mm/page_alloc.c】通过遍历系统中各个zone，来寻找可用内存，根据Linux系统中zone_reclaim_mode的设置不同，遍历时的行为略有不同。zone_reclaim_mode是Linux中的一个可配置参数，为了解该参数如何影响内存分配，那就打开get_page_from_freelist的代码，仔细看看遍历各个zone的流程：
上面看到，zone_reclaim_mode非零时，如果某个zone内存不够，则会尝试出发一次内存回收工作（zone_reclaim），等于零时，则直接尝试写一个zone。
上面是2.6.33内核的代码流程图，2.6.18（RHEL5.4的内核）中则因为没有zcl相对简单一些：
流程图中可以看到，zone_reclaim_mode非零时，get_page_from_freelist【mm/page_alloc.c】函数中会调用zone_watermark_ok扫描free_area，如果当面有没有足够的可用内存，就会调用zone_reclaim【mm/vmscan.c】函数回收内存，zone_reclaim实际调用zone_reclaim【mm/vmscan.】收回内存。
最后
每次深入了解一个技术问题，随着挖据的深入，都发现其背后总非常深的背景知识，甚至需要深入到很多底层系统，这个过程有时会让自己迷失，会让自己忘了当初的目的。如果是Linux方面的技术问题，一般最后会收缩到“体系结构”、“Linux原理”和“算法”，这恰恰对应了计算机系考研时候的三门课程：体系结构、操作系统、和数据结构.