linux内存分布

① Linux的内核空间和用户空间是如何划分的(以32位系统为例)

通常32位Linux内核地址空间划分0~3G为用户空间，3~4G为内核空间。地址分配如下图所示

直接映射区：线性空间中从3G开始最大896M的区间，为直接内存映射区，该区域的线性地址和物理地址存在线性转换关系：线性地址=3G+物理地址。

动态内存映射区:该区域由内核函数vmalloc来分配，特点是：线性空间连续，但是对应的物理空间不一定连续。vmalloc分配的线性地址所对应的物理页可能处于低端内存，也可能处于高端内存。

永久内存映射区：该区域可访问高端内存。访问方法是使用alloc_page(_GFP_HIGHMEM)分配高端内存页或者使用kmap函数将分配到的高端内存映射到该区域。

固定映射区：该区域和4G的顶端只有4k的隔离带，其每个地址项都服务于特定的用途，如ACPI_BASE等。

② Linux里面什么线性内存

Linux内存线性地址空间格局解析
实用平台：i386
Linux内存线性地址空间大小为4GB，分为2个局部：用户空间局部(等闲是3G)和内核空间局部(等闲是1G)。在此我们重要关怀内核地址空间局部。
内核穿越内核页大局目录来管教所有的物理内存，由于线形地址前3G空间为用户利用，内核页大局目录前768项(刚好3G)除0、1两项外全副为0，后256项(1G)用来管教所有的物理内存。内核页大局目录在编译时静态地定义为swapper_pg_dir数组，该数组从物理内存地址0x101000处开始储藏。
由图可见，内核线形地址空间局部从PAGE_OFFSET(等闲定义为3G)开始，为了将内核装入内存，从PAGE_OFFSET开始8M线形地址用来照射内核所在的物理内存地址；接下来是mem_map数组，mem_map的起始线形地址与系统构造相干，例如对于UMA构造，由于从PAGE_SIZE开始16M线形地址空间对应的16M物理地址空间是DMA区，mem_map数组等闲开始于PAGE_SIZE+16M的线形地址；从PAGE_SIZE开始到VMALLOC_START
–
VMALLOC_OFFSET的线形地址空间直接照射到物理内存空间(一一对应影射，物理地址=线形地址-PAGE_OFFSET)，这段区域的大小和机器切实具有的物理内存大小有关，这儿VMALLOC_OFFSET在x86上为8M，重要用来遏止越界讹谬；在内存比拟小的系统上，余下的线形地址空间(还要再扣除空白区即VMALLOC_OFFSET)被vmalloc()函数用来把不继续的物理地址空间照射到继续的线形地址空间上，在内存比拟大的系统上，vmalloc()利用从VMALLOC_START到VMALLOC_END(也即PKMAP_BASE扣除2页的空白页大小PAGE_SIZE)的线形地址空间，此刻余下的线形地址空间(还要再扣除2页的空白区即VMALLOC_OFFSET)又能够分成2局部：第一局部从PKMAP_BASE到FIXADDR_START用来由kmap()函数照射高端内存；第二局部，从FIXADDR_START到FIXADDR_TOP，这是一个安宁大小的线形地址空间，(引用：Fixed
virtual addresses are needed for subsystems that need to know the
virtual address at compile time such as the
APIC)，在x86系统构造上，FIXADDR_TOP被静态定义为0xFFFFE000,此刻这个安宁大小空间告终于全副线形地址空间最后4K前面，该安宁大小空间大小是在编译时计算出来并存储在__FIXADDR_SIZE变量中。真空断路器o:p>
正是由于vmalloc()利用区、kmap()利用区及安宁大小区的存在才使ZONE_NORMAL区大小受到局限，由于内核在运行时必需这些函数，因而在线形地址空间中起码要VMALLOC_RESERVE大小的空间。VMALLOC_RESERVE的大小与系统构造相干，在x86上，VMALLOC_RESERVE定义为128M，这即便为什么我们看到ZONE_NORMAL大小等闲是16M到896M的起因。

③ 超详细|Linux 如何进行内存分配

Linux操作系统中的虚拟内存管理分为内核空间和用户空间两大部分。在32位和64位系统中，地址空间范围不同，每个进程拥有独立的虚拟内存，内核地址关联相同物理内存，便于进程切换至内核态访问。用户空间内存分布，以32位系统为例，从低到高分为6种不同的内存段。

申请内存空间通常有两种方式：malloc和mmap。使用malloc时，系统可能调用brk或mmap函数。当分配小型内存（小于或等于128kb），malloc会通过brk函数移动堆顶指针获取新空间；分配大型内存（大于128kb）时，mmap通过私有匿名映射在文件映射区分配内存。

malloc分配的是虚拟内存，未被访问的虚拟内存不会映射到物理内存，不占用物理内存资源。访问已分配虚拟地址空间时，操作系统通过查找页表建立虚拟内存与物理内存映射关系。缺页中断发生在虚拟内存不在主存时，系统将文件映射为分页交换文件。

分配内存后使用free释放内存，malloc通过brk系统调用在堆空间预分配内存，内存释放缓存在内存池，下次申请时直接取用，减少了系统调用和缺页中断次数，降低CPU消耗。相反，使用mmap分配内存每次释放时归还给操作系统，频繁使用mmap分配内存会导致CPU消耗较大，且增加运行态切换和缺页中断次数。

通过brk分配内存时，连续申请并释放大块内存后，堆内可能产生不可用的碎片，导致内存泄露。随着频繁的malloc和free操作，尤其是对小块内存的使用，系统内将累积越来越多不可用的碎片，引发“内存泄露”问题，这种现象在使用valgrind时无法检测。因此，malloc默认分配大块内存（128KB）时使用mmap分配空间，以优化内存管理。

④ Linux进程内存管理

对于包含MMU的处理器而言，Linux系统提供了复杂的存储管理系统，使得进程所能访问的内存达到4GB。在Linux系统中，进程的4GB内存空间被分为两个部分——用户空间与内核空间。用户空间的地址一般分布为0~3GB(即PAGE_OFFSET，在Ox86中它等于OxC0000000），这样，剩下的3~4GB为内核空间，用户进程通常只能访问用户空间的虚拟地址，不能访问内核空间的虚拟地址。用户进程只有通过系统调用（代表用户进程在内核态执行）等方式才可以访问到内核空间。
每个进程的用户空间都是完全独立、互不相干的，用户进程各自有不同的页表。而内核空间是由内核负责映射，它并不会跟着进程改变，是固定的。内核空间的虚拟地址到物理地址映射是被所有进程共享的，内核的虚拟空间独立于其他程序。
Linux中1GB的内核地址空间又被划分为物理内存映射区、虚拟内存分配区、高端页面映射区、专用页面映射区和系统保留映射区这几个区域。
对于x86系统而言，一般情况下，物理内存映射区最大长度为896MB，系统的物理内存被顺序映射在内核空间的这个区域中。当系统物理内存大于896MB时，超过物理内存映射区的那部分内存称为高端内存（而未超过物理内存映射区的内存通常被称为常规内存），内核在存取高端内存时必须将它们映射到高端页面映射区。Linux保留内核空间最顶部FIXADDR_TOP~4GB的区域作为保留区。
当系统物理内存超过4GB时，必须使用CPU的扩展分页(PAE）模式所提供的64位页目录项才能存取到4GB以上的物理内存，这需要CPU的支持。加入了PAE功能的Intel Pentium Pro及以后的CPU允许内存最大可配置到64GB，它们具备36位物理地址空间寻址能力。
由此可见，对于32位的x86而言，在3~4GB之间的内核空间中，从低地址到高地址依次为:物理内存映射区→隔离带→vmalloc虚拟内存分配器区→隔离带→高端内存映射区→专用页面映射区→保留区。