内存管理模块有哪些状态

Linux 内核中的**内存管理模块（Memory Management, MM）**在运行时会维护多种状态，用于跟踪内存页、分配器、进程地址空间等的当前情况。这些状态直接影响内存分配、回收、交换等行为。以下是内存管理模块的主要状态分类及其含义：

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### **1. 内存页（Page）的状态**
每个物理内存页（`struct page`）通过标志位和链表维护状态，主要分为以下几类：

#### **(1) 伙伴系统（Buddy System）中的页状态**
- **`free`（空闲）**  
  - 页位于伙伴系统的空闲链表（`free_area`）中，可被分配。  
  - 通过 `zone->free_area[order]` 管理不同大小的连续页块。
- **`allocated`（已分配）**  
  - 页被分配给内核或用户空间，可能用于：  
    - 内核对象（通过 `kmalloc`/`SLAB`）。  
    - 用户进程（通过 `page fault` 或 `mmap`）。  
    - 文件缓存（`Page Cache`）。

#### **(2) 页标志位（`struct page->flags`）**  
通过 `enum pageflags`（`include/linux/page-flags.h`）定义页的详细状态：  
- **`PG_locked`**：页被锁定（如正在I/O操作中）。  
- **`PG_dirty`**：页内容已被修改（需写回磁盘）。  
- **`PG_uptodate`**：页数据与磁盘一致（用于文件缓存）。  
- **`PG_active`/`PG_inactive`**：页在活跃/非活跃LRU链表（影响回收策略）。  
- **`PG_swapbacked`**：页可被交换到磁盘（如匿名页）。

#### **(3) 特殊用途页状态**  
- **`Reserved`**：保留页（如内核启动时使用，不可分配）。  
- **`CMA`（连续内存分配器）**：预留给设备驱动的大块连续内存。  
- **`HugePage`**：大页（`hugetlbfs`）专用页。

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### **2. 内存区域（Zone）的状态**
每个内存节点（`struct pglist_data`）划分为多个 `zone`（如 `ZONE_DMA`, `ZONE_NORMAL`），其状态包括：  
- **`watermark`（水位线）**：  
  - `min`/`low`/`high`：用于触发内存回收（`kswapd` 或直接回收）。  
  - 当空闲页低于 `min` 时，系统可能触发 OOM（Out-of-Memory）。  
- **`managed_pages`**：该 zone 中被伙伴系统管理的总页数。  
- **`free_pages`**：当前空闲页数。

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### **3. 进程地址空间（VMA）的状态**
进程的虚拟内存区域（`struct vm_area_struct`）状态：  
- **`VM_READ`/`VM_WRITE`/`VM_EXEC`**：权限标志。  
- **`VM_LOCKED`**：内存被锁定（不可交换）。  
- **`VM_GROWSDOWN`**：栈空间可向下扩展。  
- **`VM_IO`**：映射设备内存（如 `mmap` 显卡显存）。

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### **4. 内存回收（Reclaim）状态**
- **`kswapd` 线程状态**：  
  - 周期性检查内存水位，后台回收页。  
  - 触发条件：空闲页 < `low` 水位。  
- **直接回收（Direct Reclaim）**：  
  - 当分配内存失败时同步回收（如 `GFP_KERNEL` 分配时）。  
- **LRU 链表状态**：  
  - **`active_list`**：近期被访问的页。  
  - **`inactive_list`**：候选回收页。  
  - 页在 `active`/`inactive` 之间迁移（通过 `mark_page_accessed()`）。

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### **5. 交换空间（Swap）状态**
- **`Swap Cache`**：  
  - 已换出但未被修改的页（可快速换回）。  
- **`Swap Slot` 状态**：  
  - `SWAP_HAS_CACHE`：换出页仍有缓存。  
  - `SWAP_MAP_BAD`：无效交换槽。

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### **6. 内存压缩（Compaction）状态**
- **`COMPACT_SKIPPED`**：跳过压缩（因碎片不足）。  
- **`COMPACT_SUCCESS`**：成功合并空闲页块。  
- **`COMPACT_CONTINUE`**：压缩进行中。

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### **7. OOM（Out-of-Memory）状态**
- **`oom_score`**：进程的OOM评分（越高越优先被杀死）。  
- **`under_oom`**：系统正在处理OOM事件。

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### **关键状态查询接口**
1. **查看系统内存状态**  
   ```bash
   cat /proc/meminfo  # 全局内存统计（MemTotal, SwapFree等）
   cat /proc/zoneinfo # 各zone的水位和碎片情况
   ```
2. **查看进程内存状态**  
   ```bash
   cat /proc/<pid>/maps  # 进程的VMA映射
   cat /proc/<pid>/status # 进程内存使用（VmRSS, VmSwap等）
   ```
3. **内核代码中的状态检查**  
   ```c
   PageActive(page);    // 检查页是否在active链表
   zone_watermark_ok(zone, order); // 检查zone水位
   ```

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### **状态转换示例（页的生命周期）**
1. **分配**：  
   `free_area` → `alloc_pages()` → 标记为 `PG_allocated`。  
2. **使用**：  
   文件读写 → 标记为 `PG_dirty`。  
3. **回收**：  
   `active_list` → `inactive_list` → 写入交换区（`PG_swapbacked`）。  
4. **释放**：  
   `free_pages()` → 返回 `free_area`。

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### **总结**
内存管理模块的状态是多层次的，涵盖：  
- **物理页**：空闲、已分配、脏页等。  
- **内存区域**：水位、碎片、NUMA节点。  
- **进程虚拟内存**：VMA权限、锁定状态。  
- **动态行为**：回收、压缩、OOM。  

这些状态通过内核数据结构和 `/proc` 文件系统暴露，是调试性能问题（如内存泄漏、碎片）的关键依据。