linux 内存是后台开发人员，需要深入了解的计算机资源。合理的使用内存，有助于提升机器的性能和稳定性。本文主要介绍 linux 内存组织结构和页面布局，内存碎片产生原因和优化算法，linux 内核几种内存管理的方法，内存使用场景以及内存使用的那些坑。从内存的原理和结构，到内存的算法优化，再到使用场景，去探寻内存管理的机制和奥秘。

一、走进 linux 内存

1、内存是什么？

1)内存又称主存，是 CPU 能直接寻址的存储空间，由半导体器件制成

2)内存的特点是存取速率快

2、内存的作用

1)暂时存放 cpu 的运算数据

2)硬盘等外部存储器交换的数据

3)保障 cpu 计算的稳定性和高性能

二、 linux 内存地址空间

1、linux 内存地址空间 Linux 内存管理全貌

2、内存地址——用户态&内核态

• 用户态：Ring3 运行于用户态的代码则要受到处理器的诸多
• 内核态：Ring0 在处理器的存储保护中，核心态
• 用户态切换到内核态的 3 种方式：系统调用、异常、外设中断
• 区别：每个进程都有完全属于自己的，独立的，不被干扰的内存空间；用户态的程序就不能随意操作内核地址空间，具有一定的安全保护作用；内核态线程共享内核地址空间；

3、内存地址——MMU 地址转换

• MMU 是一种硬件电路，它包含两个部件，一个是分段部件，一个是分页部件
• 分段机制把一个逻辑地址转换为线性地址
• 分页机制把一个线性地址转换为物理地址

4、内存地址——分段机制

1) 段选择符

• 为了方便快速检索段选择符，处理器提供了 6 个分段寄存器来缓存段选择符，它们是： cs,ss,ds,es,fs 和 gs
• 段的基地址(Base Address)：在线性地址空间中段的起始地址
• 段的界限(Limit)：在虚拟地址空间中，段内可以使用的最大偏移量

2) 分段实现

• 逻辑地址的段寄存器中的值提供段描述符，然后从段描述符中得到段基址和段界限，然后加上逻辑地址的偏移量，就得到了线性地址

5、内存地址——分页机制（32 位）

• 分页机制是在分段机制之后进行的，它进一步将线性地址转换为物理地址
• 10 位页目录，10 位页表项， 12 位页偏移地址
• 单页的大小为 4KB

6、用户态地址空间

• TEXT：代码段可执行代码、字符串字面值、只读变量
• DATA：数据段，映射程序中已经初始化的全局变量
• BSS 段：存放程序中未初始化的全局变量
• HEAP：运行时的堆，在程序运行中使用 malloc 申请的内存区域
• MMAP：共享库及匿名文件的映射区域
• STACK：用户进程栈

7、内核态地址空间

• 直接映射区：线性空间中从 3G 开始最大 896M 的区间，为直接内存映射区
• 动态内存映射区：该区域由内核函数 vmalloc 来分配
• 永久内存映射区：该区域可访问高端内存
• 固定映射区：该区域和 4G 的顶端只有 4k 的隔离带，其每个地址项都服务于特定的用途，如： ACPI_BASE 等

8、进程内存空间

• 用户进程通常情况只能访问用户空间的虚拟地址，不能访问内核空间虚拟地址
• 内核空间是由内核负责映射，不会跟着进程变化；内核空间地址有自己对应的页表，用户进程各自有不同额页表