监控内存（一）：Linux 内存怎么工作

内存映射

同 CPU 管理一样，内存管理也是操作系统最核心的功能之一。内存主要用来存储系统和应用程序的指令、数据、缓存等。

只有内核才可以直接访问物理内存。那么，进程要访问内存时，该怎么办呢？

Linux 内核给每个进程都提供了一个独立的虚拟地址空间，并且这个地址空间是连续的。这样，进程就可以很方便地访问内存，更确切地说是访问虚拟内存。

虚拟地址空间的内部又被分为内核空间和用户空间两部分，不同字长（也就是单个 CPU 指令可以处理数据的最大长度）的处理器，地址空间的范围也不同

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进程在用户态时，只能访问用户空间内存；只有进入内核态后，才可以访问内核空间内存。虽然每个进程的地址空间都包含了内核空间，但这些内核空间，其实关联的都是相同的物理内存。这样，进程切换到内核态后，就可以很方便地访问内核空间内存。

内存映射，其实就是将虚拟内存地址映射到物理内存地址。为了完成内存映射，内核为每个进程都维护了一张页表，记录虚拟地址与物理地址的映射关系。

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MMU 和 TLB

一般来说，任何进程切换都会暗示着更换活动页表集，
Linux内核为每一个进程维护一个task_struct结构体（即进程描述符PCB），task_struct->mm_struct结构体成员用来保存该进程的页表。在进程切换的过程中，内核把新的页表的地址写入CR3控制寄存器。

MMU是CPU的一部分，每个处理器core都有一个MMU，包含：

• TLB：是页表的高速缓存，存储着最近转化的一些目录项
• Table Walk Unit：负责从页表中读取虚拟地址对应的物理地址

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对于每次转换，MMU首先在TLB中检查现有的缓存。如果没有命中，根据CR3寄存器，Table Walk Unit将从内存中的页表查询。

伙伴系统

内存分配与回收

malloc() 是 C 标准库提供的内存分配函数，对应到系统调用上，有两种实现方式，即 brk() 和 mmap()。

• 对小块内存（小于 128K），C 标准库使用 brk() 来分配，也就是通过移动堆顶的位置来分配内存。这些内存释放后并不会立刻归还系统，而是被缓存起来，这样就可以重复使用。
• 而大块内存（大于 128K），则直接使用内存映射 mmap() 来分配，也就是在文件映射段找一块空闲内存分配出去。

当这两种调用发生后，其实并没有真正分配内存。这些内存，都只在首次访问时才分配，也就是通过缺页异常进入内核中，再由内核来分配内存。

参考资料
1、https://www.zhihu.com/question/63375062/answer/1403291487