深入理解 Linux 内存管理：架构、机制与核心概念复盘

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在 Linux 内核中，内存管理是系统稳定性和性能的核心支柱之一。本文将系统性回顾并总结今天学习的关键内容，涵盖从物理内存模型、页表机制、memblock 初始化、内存节点与管理区、页面管理结构等多个方面，帮助你从架构视角把握 Linux 内存管理的本质。最后也会附上常见的面试关键问题及其高质量解答。

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一、内存体系结构：UMA 与 NUMA

1.1 UMA（Uniform Memory Access）

• 所有 CPU 核心访问物理内存的速度一致。
• 常见于单路 CPU 平台（如树莓派、嵌入式平台）。
• 简化了内存调度，但在多核场景下性能不理想。

1.2 NUMA（Non-Uniform Memory Access）

• 每个 CPU 拥有本地内存，访问远程内存存在延迟。
• 常用于服务器与多路 CPU 架构。
• 涉及调度器优化、页迁移等复杂策略。

面试问题：

• Q：NUMA 架构下，内核如何优化本地内存访问？
• A：通过页分配优先使用本地节点、自动页迁移机制、cpuset 等方式。

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二、物理内存模型：FLATMEM、DISCONTIGMEM、SPARSEMEM

模型名称	宏定义	特点描述	典型平台
Flat Memory Model	CONFIG_FLATMEM	所有内存连续，mem_map[]为连续数组，访问简洁	ARM嵌入式
Discontiguous Memory	CONFIG_DISCONTIGMEM	多个 bank，中间有洞，每个 Node 有独立 mem_map[]，适合早期 NUMA	早期 x86 NUMA
Sparse Memory Model	CONFIG_SPARSEMEM	以 section 管理，支持大内存与热插拔，适配 VMEMMAP 优化	现代服务器

面试问题：

• Q：SPARSEMEM 与 FLATMEM 在内存管理策略上的最大区别是什么？
• A：FLATMEM 假设物理内存连续，SPARSEMEM 则允许以 section 为单位分段管理，节省空间。

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三、memblock 概念与内存初始化

3.1 memblock 是什么？

• 用于管理系统早期内存分配（替代 bootmem）。
• 数据结构：memblock.memory 表示可用物理内存区域，memblock.reserved 表示已占用。

3.2 初始化路径

• 从设备树 memory 节点解析物理内存区间。
• setup_machine_fdt() 调用 early_init_dt_scan_nodes() 完成 memblock 的填充。

memory@40000000 {
  device_type = "memory";
  reg = <0x0 0x40000000 0 0x80000000>,
        <0x0 0xc0000000 0 0x80000000>;
};

面试问题：

• Q：memblock 的生命周期是什么？什么时候会销毁？
• A：仅用于内核早期，paging_init 后释放掉临时页表和 memblock 本身。

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四、页表机制与地址映射

4.1 多级页表结构（ARM64 为例）

• PGD → PUD → PMD → PTE → Page
• 每级页表负责不同范围虚拟地址空间的映射。

4.2 页表核心函数

• create_mapping()
• __map_kernel()
• cpu_replace_ttbr1() 用于替换 TTBR1 映射，启用最终页表。

面试问题：

• Q：页表在早期内核初始化中的构建依赖哪些结构？
• A：swapper_pg_dir、init_pg_dir，借助 fixmap 映射和 memblock 分配。

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五、管理单元：pglist_data、zone、page

5.1 pglist_data（每个 Node 一份）

• 管理一个 NUMA 节点内的内存。
• 包含 zone[]、node_zones、bdata、nr_zones 等字段。

5.2 zone（每种类型的内存区域）

• DMA、DMA32、Normal、Movable 等类型。
• 管理水线、高低水位、free_area[] 等分配策略。
  

5.3 page（管理每一页内存）

• 每一页的抽象表示，结构体大小约 64 字节（依配置）。
• 包含 refcount、flags、mapping、private、lru 等。

struct page {
    unsigned long flags;
    struct address_space *mapping;
    atomic_t _refcount;
    ...
};

面试问题：

• Q：如何根据物理地址得到 page 结构体？
• A：通过 virt_to_page() / pfn_to_page()，依赖 mem_map 基址。

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六、总结

Linux 内存管理涉及从早期 memblock 初始化、页表映射、物理模型布局，到运行时的 zone 管理与页分配控制，构成了从引导到运行的完整体系。理解结构体之间的调用关系、层次映射机制和平台适配差异，是深入掌握内核内存管理的关键。

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附录：今日高频核心面试问题汇总

问题	参考答案
UMA 与 NUMA 有何差异？	UMA 访问内存延迟一致，NUMA 有本地/远程访问差异。
memblock 主要作用？	管理早期物理内存分配，供页表初始化与内核结构使用。
三种内存模型区别？	是否支持不连续区域、是否节省 mem_map[] 空间等。
页表构建顺序？	PGD → PUD → PMD → PTE → Page。
struct page 在系统中如何获取？	pfn_to_page / virt_to_page，依赖 mem_map。
zone 有哪些类型？	DMA、DMA32、Normal、Movable，用于页分配控制。

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