轻松理解操作系统 - 图文：Linux内核虚拟内存的基石是什么？

第一大模块：一文串联文件系统模块

上期文章中，我们了解了 Linux内存管理模块 的其中一大功能：内核虚拟内存管理。内核的虚拟内存是怎么管理的？

内核虚拟内存的管理是用户程序创建进程和执行各种任务的基础。没有它，我们就无法正常使用系统。

但，虚拟内存终究是要落到物理内存里面的吧？那系统内核的虚拟内存是如何落到现实中的物理内存中的呢？

本期，我们就来聊聊内核虚拟内存的基石 - Linux内核内存管理。

一、内核内存管理是什么呢？

Linux 内核内存管理主要负责管理计算机硬件中的物理内存资源。

它确保系统能够高效地利用内存，同时保证系统的稳定性和安全性。

内核内存管理涉及物理内存的分配、回收、映射、保护等多个环节，是操作系统核心功能之一。

二、为什么要用单独一个模块来管理内核的物理内存？

首先是为了保证系统的运行速度

为了保证系统的运行速度，Linux内核 需要尽可能保证自己的虚拟内存映射在连续的物理内存上面。

这样才能更方便的通过虚拟地址来计算物理地址。

其次是为了做权限隔离

试想一下，假如没有权限隔离的话，其他程序岂不是随随便便就可以改系统内核的代码了？

不做权限隔离的话，假如有坏人在程序里面写入了攻击性的代码，故意攻击你的系统，甚至于进行勒索，是不是很可怕？

三、那它是怎么管理内存的？

本张流程图看似很简单，但是实际上在分配和回收内存的时候涉及了很多机制，还有很多机制是虚拟内存管理核心的机制。

1、申请使用内存

内核模块需要使用内存时，它们会向内核内存管理模块请求分配内存。

内核内存管理模块会根据请求的大小和特性（如是否允许睡眠）来选择合适的内存区域进行分配。

常见的内存分配算法包括伙伴系统（Buddy System）和 slab 分配器等。

伙伴系统是一种物理内存管理算法，它将内存划分为多个块，并通过合并和分裂这些块来满足不同大小的内存请求。

slab 分配器则是一种针对小对象的内存分配器，它提高了内存分配和回收的效率。

2、内存不用之后，怎么回收掉呢？

内核内存管理模块会跟踪这些释放的内存块，并在需要时将它们重新分配给其他请求者。

但是怎么跟踪呢？跟踪的方法就是 Linux系统内核中有 char类型 数组来标识内存块的占用情况。

未被使用的内存块在数组中被记为 0.

此外，内存回收过程中，内核还会尝试合并相邻的空闲内存块，以减少内存碎片。

四、那它是怎么进行内存保护的呢？

上期我们已经讲到了内核虚拟内存与物理内存的映射等：

本期我们来讲讲它们怎么进行内存保护的

1、内存保护是什么？

内存保护是指防止进程非法访问其他进程的内存或内核内存。

2、它是怎么实现的？

Linux内核 通过设置页表项的访问权限来实现内存保护。页表项中包含了该页的内存访问权限信息，如可读、可写、可执行等。

用户态进程访问内核态进程的内存页就会被拒绝访问。

五、那它有没有什么优化机制来确保系统的运行速度更快？

当然是有的，在本模块的第一期，我们讲了一些优化方法：从用户角度：内核如何管理内存并保证速度

这些优化方法的具体执行还在虚拟内存管理核心模块中实现的，那我们下期就来聊聊这个模块。

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