《Linux 内核深度解析：基于 ARM64 架构的 Linux 4.x 内核》 第三章：内存管理（Memory Management）
内存管理是 Linux 内核中最复杂、最核心的子系统之一，涵盖从系统启动到运行期间的各个方面。从启动时物理内存初始化讲起，深入分析 ARM64 架构下 Linux 4.x 的内存映射、页框管理、Slab 分配器等关键模块，并结合实际代码路径解释其设计原理与运作机制。
一、ARM64 内存架构概述
ARM64 使用 64 位虚拟地址空间，但实际支持的地址范围由 SoC 限制，常见配置如下：
| 配置 | 虚拟地址空间 | 页表级别 | 每页大小 |
|---|---|---|---|
| 4KB 页 | 48-bit VA | 4 级页表 | 4KB |
| 16KB 页 | 48-bit VA | 3 级页表 | 16KB |
| 64KB 页 | 42-bit VA | 2 级页表 | 64KB |
Linux 采用基于 页（Page） 的虚拟内存管理方式，每个页的大小通常为 4KB，通过页表完成虚拟地址到物理地址的映射。
- 页表结构 ：
PGD → PUD → PMD → PTE，每一级页表映射更多地址。 - 用户空间地址段：0x0000000000000000 ~ TASK_SIZE_64（0x0000ffff_ffffffff）
- 内核空间地址段：0xffff0000_00000000 ~ 0xffff_ffff_ffff_ffff
ARM64 的内核地址空间以 PAGE_OFFSET 开始，一般为 0xffff_0000_0000_0000。
二、早期物理内存管理：memblock
在内核初始化早期，还未启用 buddy 分配器时，内核依赖 memblock 来临时管理物理内存的分配。
2.1 memblock 数据结构
c
struct memblock {
struct memblock_type memory; // 可用内存块数组
struct memblock_type reserved; // 保留内存块数组
};内核启动后会通过设备树 /memory 节点添加物理内存区域到 memblock.memory，同时将设备树、内核映像、自身页表等保留区域登记到 memblock.reserved 中。
2.2 常用 API
memblock_add()：注册内存区域memblock_reserve()：标记保留区域（不能用于普通分配）memblock_alloc()：在early_boot阶段分配内存，通常用于页表、log buffer、initrd 等
三、页框管理与伙伴系统（Buddy System）
当内核初始化到 start_kernel() 调用 mm_init() 后，内存管理从 memblock 迁移到标准页框管理系统。
3.1 页描述符：struct page
内核用 struct page 数组来管理每一个物理页框，每个物理页框对应一个 page 结构体，定义于 include/linux/mm_types.h：
c
struct page {
unsigned long flags; // PG_locked、PG_dirty 等状态
atomic_t _count; // 引用计数
atomic_t _mapcount; // 映射次数
union {
struct list_head lru; // 页面回收、LRU 用
struct slab *slab; // SLAB 分配器使用
};
struct address_space *mapping;
pgoff_t index;
void *virtual; // 对应的虚拟地址（部分配置）
...
};3.2 Buddy 分配器简介
Buddy System 是一种将物理内存按 2^n 分割成不同阶（order）的管理策略，常用于大页分配（如页表、大块 buffer 分配）：
- 系统将内存划分为若干"zone"（DMA、Normal、HighMem），每个 zone 再分为多个 order。
- 每个 order 对应
2^order个连续页框。 - 若请求大小为
order = 2，系统会尝试从 order-2 的空闲列表中取出一块，如果没有则从更高 order 拆分。
常见函数：
__alloc_pages()：根据 GFP 标志位选择 zone 和 order，分配页__free_pages()：释放页并进行合并
四、内核页表建立
在 setup_arch() → paging_init() → map_kernel_segment() 路径中，内核会为自己建立早期静态映射：
4.1 静态映射区域（Linear Mapping）
ARM64 内核将物理内存直接线性映射到内核虚拟地址空间，如：
Virtual: 0xffff_0000_0000_0000
|
+-- RAM (0x0000_8000_0000, 512MB) 映射至 0xffff_0000_8000_0000静态映射的建立依赖于页表初始化函数：
create_pgd_mapping()：建立虚拟地址 → 物理地址的映射alloc_init_pte(),alloc_init_pmd(),alloc_init_pud()：分配页表项
4.2 KASLR 与 VA 随机化
若启用内核地址随机化（CONFIG_RANDOMIZE_BASE），内核会在 early_init() 中调用 kaslr_offset() 函数动态计算内核加载地址偏移量。
五、Slab 分配器：内核对象分配机制
Slab 是内核中用于分配小对象（如 task_struct, inode, dentry）的核心机制。主要三种实现：
- SLAB：最初版本，基于每 CPU 缓存
- SLUB（默认）：优化内存碎片，代码清晰，可跟踪对象状态
- SLOB：最小系统中使用，适用于小内存设备
5.1 基本流程
- 使用
kmem_cache_create()创建对象缓存池 kmalloc()→kmem_cache_alloc()分配对象kfree()→kmem_cache_free()释放对象
Slab 依赖伙伴系统进行实际内存页分配，每个 slab 区域由多个页组成，并通过 bitmap 管理对象使用情况。
六、用户空间地址映射与内存区域
6.1 mm_struct 与 vm_area_struct
- 每个进程的地址空间由一个
mm_struct管理 - 其内部使用红黑树或链表组织多个
vm_area_struct，每个表示一段连续的虚拟地址（如代码段、堆、栈）
c
struct mm_struct {
pgd_t *pgd;
struct vm_area_struct *mmap; // 链表或红黑树
struct rb_root mm_rb;
unsigned long start_code, end_code;
unsigned long start_brk, brk;
unsigned long start_stack;
...
};- 当用户调用
mmap()时，内核会为其创建新的vm_area_struct插入mm_struct； - 页面未映射时触发 page fault，通过
do_page_fault()→handle_mm_fault()分配实际页面。
七、页面回收机制（简述）
- 内核通过 shrinker / kswapd / direct reclaim 回收页
- 当内存不足时，调用
try_to_free_pages()，遍历所有 zone - 利用 LRU、active/inactive lists 回收冷页
总结
| 模块 | 作用与亮点 |
|---|---|
| memblock | 引导阶段的物理内存管理器，负责早期分配 |
| struct page | 每个物理页的抽象单位，用于追踪引用、状态、LRU、映射等 |
| Buddy System | 伙伴系统分配大块内存，按 order 管理物理页框 |
| 内核页表 | 早期建立内核虚拟地址映射，支持静态映射、KASLR、模块空间等 |
| Slab 分配器 | 支持小对象快速分配，利用缓存提高性能 |
| mm_struct | 用户空间地址管理的核心，支持 mmap、page fault 等 |
内存管理贯穿整个内核生命周期，是内核调度、进程、文件系统、IO 的基础。下一章将深入调度器与上下文切换的核心机制，包括完全公平调度器（CFS）、实时调度、Preemption 与 load balance 等内容。
参考如下源码路径：
mm/memblock.c：memblock 相关代码mm/page_alloc.c：页分配核心mm/slub.c：SLUB 分配器实现arch/arm64/mm/mmu.c：页表映射include/linux/mm.h,mm/init-mm.c：内存管理入口结构