虚拟内存系统

为了方便管理程序运行时使用的内存空间，
memory management unit（mmu）内存管理单元，辅助操作系统管理内存。

内存类型	描述
物理内存	实际内存空间
虚拟内存	应用程序可以看到并使用的内存空间

内存寻址范围

由地址总线范围和数据总线大小决定
例如：
内存地址总线长度20bit，内存单元8bit，则访问2^20 * 8bit的内存空间，即2MB。
内存地址总线长度32bit，内存单元8bit，则访问2^32 * 8bit的内存空间，即4GB。

地址类型

地址类型	描述
逻辑地址	机器语言指令使用的地址，指定一个操作数的地址或一条指令的地址
线性地址	线性地址是一个无符号整数，范围0x00～0xffffffff(ffffffff)， 由逻辑地址的段基址+段偏移计算得到 若无分页机制，线性地址即物理地址
物理地址	内存单元的实际地址，用于芯片级内存单元寻址

地址转换

逻辑地址-->线性地址-->物理地址,实际转换流程由MMU操作

分页机制

将虚拟内存空间和物理内存空间按固定大小划分成若干页
只将程序需要使用的页映射到物理内存

类型	说明
页框	page frame,分页单元把所有的RAM物理内存分成固定长度的页框，长度也是4KB或更大
页	分页单元将线性地址分成以固定长度位单位的组，称为页（page）。 页内部连续，映射是以页位基本单位。

4级页表

x86_64采用四级页表，来管理标准4KB页。
在x64体系中用48位的虚拟寻址
理论上48位地址长度可以管理512TB的地址空间
不过x86_64四级页表只使用了256TB的虚拟地址空间。
详见linux 4级内存页表虚拟地址空间范围
48bit线性地址划分为下面几部分：

字段	长度	描述
OFFSET	12bit	页内偏移量，对应4K范围
PT(Page Table)		9bit
PDT(Page Directory Table)	9bit	每个表4K，内含512个PDE结构，每个8字节
PDPT(Page Directory Pointer Table)	9bit	及表内的PDPTE结构
PML4T(Page Map Level4 Table)	9bit	及表内的PML4E结构
f/0	16bit	全填充0或f

同x86 32位一样，系统使用CR3存储页表的基地址，即PML4T的物理基地址。x86_64支持多种页面大小：

1）4K页面：使用PML4T，PDPT，PDT和PT 四级页转化表结构； 2）2M页面：使用PML4T，PDPT 和PDT三级页转化表结构； 3）1G 页面：使用PML4T和PDPT二级页表转化结构。 详细的地址转换过程，在下面的linux 系统分页机制实现再阐述。

虚拟地址映射到物理地址的每一个映射叫叫页表实体（page table entry，PTE）。

TLB

translation lookaside buffer，转换旁路缓存。 CPU的MMU使用该缓存存储操作系统最近使用的映射。

转换过程

当虚拟地址需要转换到物理地址时，先查询TLB。 如果TLB命中，则返回对应的物理地址，并继续访问物理内存。 如果不命中，则mmu或者TLB缺失处理程序将会去页表查否是否存在该映射。 如果存在，将其写回到TLB。

TTW，translation table walk，转换表漫游。当tlb中不存在虚拟地址和物理地址的转换关系时，通过访问内存中的转换表来获取虚拟地址和物理地址的对应关系。 TT，转换表，一般为多级页表。

缓存

buffer缓存

块设备的写缓冲，将随机写合并为顺序写，减少磁盘 I/O 次数。

# 查看 buffer/cache 使用量
free -h
cat /proc/meminfo | grep -E "Buffers|Cached"

页缓存

磁盘文件内容的内存缓存（Page Cache），读文件时先查 page cache，命中则不访问磁盘。

# 查看 page cache 占用
cat /proc/meminfo | grep -E "Cached|Dirty|Writeback"

# 手动释放页缓存（生产环境慎用）
echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches   # 释放 page cache
echo 2 > /proc/sys/vm/drop_caches   # 释放 dentries/inodes
echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches   # 释放以上所有

交换分区（Swap）

当物理内存不足时，内核将部分内存页换出（swap out）到磁盘上的交换分区。

# 查看 swap 状态
swapon --show
free -h
cat /proc/meminfo | grep Swap

# 创建并启用 swap 文件
dd if=/dev/zero of=/swapfile bs=1G count=4
chmod 600 /swapfile
mkswap /swapfile
swapon /swapfile

# 永久生效（写入 /etc/fstab）
echo '/swapfile none swap sw 0 0' >> /etc/fstab

# 关闭 swap
swapoff /swapfile

swappiness：控制内核使用 swap 的积极程度，值 0-100，越高越积极。

# 查看当前值（默认 60）
cat /proc/sys/vm/swappiness

# 临时修改
echo 10 > /proc/sys/vm/swappiness

# 永久修改
echo 'vm.swappiness=10' >> /etc/sysctl.conf
sysctl -p

硬件缓存

CPU 片上缓存，按访问速度分级：L1 Cache（~1ns）→ L2 Cache（~5ns）→ L3 Cache（~20ns）

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区

根据使用功能，将页划分为不同的区。

区（Zone）	说明
ZONE_DMA	可用于 ISA 设备 DMA 的低端内存（< 16MB）
ZONE_DMA32	AMD64 上可用于 32 位 DMA 的内存（< 4GB）
ZONE_NORMAL	常规映射内存区域
ZONE_HIGHMEM	32 位系统高于 896MB 的物理内存（x86_64 不存在）
ZONE_MOVABLE	可迁移页，用于内存热插拔

# 查看各 Zone 信息
cat /proc/zoneinfo

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内存分配

物理内存分配

内核通过**伙伴系统（Buddy System）**分配连续物理页，按 2^n 页为单位管理。

# 查看伙伴系统状态
cat /proc/buddyinfo

slab 分配器：在伙伴系统之上，为内核小对象（task_struct、inode 等）提供高效分配。

# 查看 slab 使用情况
slabtop
cat /proc/slabinfo

用户空间内存分配

分配来源	说明
malloc()	C 库分配，小块用 brk/sbrk 扩堆，大块用 mmap
mmap()	直接向内核申请内存映射区域
brk()/sbrk()	移动堆顶指针

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OOM Killer

当系统内存严重不足时，OOM Killer（Out-Of-Memory Killer）会选择并杀死某个进程以释放内存。

OOM 触发与日志

# 查看 OOM 相关内核日志
dmesg | grep -i "oom\|out of memory\|killed process"
journalctl -k | grep -i oom

oom_score

内核根据进程的内存使用、运行时间等计算 oom_score（0-1000），分数越高越容易被杀。

# 查看进程的 oom_score
cat /proc/<pid>/oom_score

# 查看 oom_score_adj（调整值，范围 -1000~1000）
cat /proc/<pid>/oom_score_adj

保护关键进程

# 设置为 -1000 可完全免除 OOM 杀死（需 root）
echo -1000 > /proc/<pid>/oom_score_adj

# 或通过 systemd 服务配置
# /etc/systemd/system/myservice.service
[Service]
OOMScoreAdjust=-1000

禁用 OOM Killer（极端情况，慎用）

# 禁用（系统可能挂死）
echo 1 > /proc/sys/vm/panic_on_oom

# 内存不足时触发 panic 并重启
echo 1 > /proc/sys/kernel/panic_on_oops

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内存监控命令

# 综合概览
free -h

# 详细内存信息
cat /proc/meminfo

# 进程内存使用（VSZ: 虚拟内存，RSS: 常驻内存）
ps aux --sort=-%mem | head -15

# 进程内存映射详情
pmap -x <pid>
cat /proc/<pid>/maps
cat /proc/<pid>/smaps

# 实时内存监控
vmstat 1
top (按 M 按内存排序)
htop

# 内存使用统计（按进程）
smem -r -k | head -20

Linux的进程地址空间一,兰新宇
Linux的进程地址空间二,兰新宇
Four-level page tables
Five-level page tables