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。