記憶體管理子系統可能是linux核心中最為複雜的乙個子系統，其支援的功能需求眾多，如頁面對映、頁面分配、頁面**、頁面交換、冷熱頁面、緊急頁面、頁面碎片管理、頁面快取、頁面統計等，而且對效能也有很高的要求。本文從記憶體管理硬體架構、位址空間劃分和記憶體管理軟體架構三個方面入手，嘗試對記憶體管理的軟硬體架構做一些巨集觀上的分析總結。
記憶體管理硬體架構
因為記憶體管理是核心最為核心的乙個功能，針對記憶體管理效能優化，除了軟體優化，硬體架構也做了很多的優化設計。下圖是乙個目前主流處理器上的儲存器層次結構設計方案。
從圖中可以看出，對於讀寫記憶體，硬體設計了3條優化路徑。
1）首先l1 cache支援虛擬位址定址，保證cpu出來的虛擬位址（va）不需要轉換成實體地址（pa）就可以用來直接查詢l1 cache，提高cache查詢效率。當然用va查詢cache，有安全等缺陷，這需要cpu做一些特別的設計來進行彌補，具體可以閱讀《計算機體系結構：量化研究方法》了解相關細節。
2）如果l1 cache沒有命中，這就需要進行位址轉換，把va轉換成pa。linux的記憶體對映管理是通過頁表來實現的，但是頁表是放在記憶體中的，如果每次位址轉換過程都需要訪問一次記憶體，其效率是十分低下的。這裡cpu通過tlb硬體單元來加速位址轉換。
3）獲得pa後，在l2 cache中再查詢快取資料。l2 cache一般比l1 cache大乙個數量級，其查詢命中率也更高。如果命中獲得數www.cppcns.com據，則可避免去訪問記憶體，提高訪問效率。
可見，為了優化記憶體訪問效率，現代處理器引入多級cache、tlb等硬體模組（如下圖是一款8核mips處理器硬體框圖）。每個硬體模組內部還有大量的設計細節，這裡不再深入，如有興趣可以閱讀《計算機體系結構：量化研究方法》等書籍進一步了解。
記憶體對映空間劃分
根據不同的記憶體使用方式和使用場景需要，核心把記憶體對映位址空間劃分成多個部分，每個劃分空間都有自己的起止位址、分配介面和使用場景。下圖是乙個常見的32位位址空間劃www.cppcns.com分結構。
不同的cpu體系架構在位址空間劃分上不盡相同，但為了保證cpu體系差異對外部模組不可見，記憶體位址空間的分配介面的語義是一致的。
因為64位cpu一般都不需要高階記憶體（當然也可以支援），在位址空間劃分上與32位cpu的差異較大，下圖是乙個mips64 cpu的核心位址空間劃分圖。
記憶體管理軟體架構
核心記憶體管理的核心工作就是記憶體的分配**管理，其內部分為2個體系：頁管理和物件管理。頁管理體系是乙個兩級的層次結構，物件管理體系是乙個**的層次結構，分配成本和操作對cpu cache和tlb的負面影響，從上而下逐漸公升高。
頁管理層次結構：由冷熱快取、夥伴系統組成的兩級結構。負責記憶體頁的快取、分配、**。
物件管理層次結構：由per-cpu快取記憶體、slab快取、夥伴系統組成的**結構。負責物件的快取、分配、**。這裡的物件指小於一頁大小的記憶體塊。
除了記憶體分配，記憶體釋放也是按照此層次結構操作。如釋放物件，先釋放到per-cpu快取，再釋放到slab快取，最後再釋放到夥伴系統。
框圖中有三個主要模組，即夥伴系統、slab分配器和per-cpu（冷熱）快取。他們的對比分析如下。
本文標題: 詳解linux核心記憶體管理架構
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