Linux 虚拟内存

Linux 虚拟内存为每个进程提供受保护的虚拟地址空间，同时允许内核共享文件、过量提交地址空间、回收物理页并将内存放置在 NUMA 节点上。讨论假定存在内存管理单元（MMU）；没有 MMU 的系统使用 Linux 独立的 nommu 实现。

转换和 TLB #

每次加载、存储和指令获取都使用虚拟地址。硬件页表将地址转换为物理页帧加偏移量。 Linux 用五个层级表示层次结构：

1. PGD — 页全局目录
2. P4D — 页第四级目录
3. PUD — 页上级目录
4. PMD — 页中间目录
5. PTE — 页表项

硬件层级较少的架构会将未使用的 Linux 层级折叠到相邻层级。CPU 会在转换后备缓冲器（TLB）中缓存转换，因为每次访问都遍历多级页表的成本很高。更改映射需要使每个可能执行受影响地址空间的 CPU 上的过期转换失效。

基础页大小取决于架构和内核配置。较高页表层级的映射可以覆盖更大的页面，从而降低页表内存和 TLB 压力。Linux 提供两种独立的大页机制：

• HugeTLB 预留或管理显式大页，通常通过 hugetlbfs 或 MAP_HUGETLB 使用；容量和分配失败属于其运维契约。
• 透明大页（THP） 根据内核策略提升符合条件的映射，不提供单独的应用映射 ABI。提升和压缩可能引入延迟，因此工作负载应进行测量，而不是假定一定有收益。

地址空间和映射 #

每个用户空间地址空间由 mm_struct 描述。内核线程通常没有独立的用户空间 mm；架构特定的执行会在需要时使用活动地址空间上下文。内核用 vm_area_struct（VMA）表示连续的虚拟内存区域。VMA 记录半开地址范围、权限、标志、后备对象和缺页操作。现代内核使用 maple tree 索引 VMA。

execve(2) 为可执行文件和共享库段创建映射。其他常见 VMA 包括栈、堆、匿名 mmap(2) 映射、文件支持的映射、共享内存和 vDSO。mmap(2) 预留虚拟范围及其访问策略；映射时不需要分配或读取所有物理页。

mprotect(2) 更改 VMA 权限，munmap(2) 移除映射。权限检查同时需要合适的 VMA 和合适的页表项。因此，保护页、不可执行映射和地址空间布局随机化都是强制机制，而不仅是记账。

缺页、按需分页和写时复制 #

由于转换缺失或尝试访问违反当前条目权限，缺页会将控制权转移给内核。缺页处理程序找到 VMA 并决定访问是否合法：

• 次要缺页无需存储 I/O 即可解决，例如映射驻留的页缓存页或安装新分配的零填充页。
• 主要缺页需要先进行存储 I/O，执行才能继续。
• 无效地址或不允许的访问通常生成 SIGSEGV；某些对象特定的失败（例如无法访问文件支持的页面）会生成 SIGBUS。

匿名内存最初可以映射共享的只读零页。写入会触发缺页并获得私有物理页。fork(2) 之后，父子进程通常通过只读映射共享页面。第一个写入者触发写时复制缺页，获得私有页，并保持另一个映射不变。写时复制使面向 exec() 的子进程执行 fork() 成本较低，但大型 fork 之后的写入可能很昂贵。

文件支持的映射和 read(2) 使用页缓存。干净的缓存页可以回收，因为内核可以重新读取文件。脏共享映射必须先写回，之后其帧才能复用。私有文件映射对写入使用写时复制，因此其修改页是匿名页，而不是对后备文件的修改。

物理分配和 NUMA #

Linux 使用页描述符描述物理帧，并按 NUMA 节点和 zone 划分内存。zone 编码硬件限制，例如 DMA 可用内存，或适用的 32 位系统中未由内核永久映射的内存。NUMA 节点拥有 zone、空闲列表、统计信息和回收状态，因为访问延迟取决于请求 CPU 和内存组。

伙伴分配器提供物理连续的页块。零阶是一个基础页；第 n 阶是 2^n 个连续页面。SLAB 系列分配器（通常是 SLUB）从伙伴分配器获取页面，并将其划分为固定大小的内核对象缓存。

kmalloc() 为分配器支持的大小返回物理连续的内核内存。vmalloc() 从不连续的物理页面构造虚拟连续的内核范围，因此其分配成本和设备 DMA 属性不同。应根据设备寻址要求选择驱动和 DMA API，而不是相互替代。

回收、回写、交换和 OOM #

物理内存压力会导致回收。内核可以：

• 丢弃干净的页缓存页；
• 写回脏文件页，然后丢弃它们；
• 在交换可用时交换符合条件的匿名页；以及
• 调用 shrinker 回收文件系统元数据等可回收缓存。

每个 zone 都有水位线。跨越低水位线会唤醒 kswapd 进行后台回收。更严重压力下的分配可以进入直接回收，并阻塞到有足够页面可用为止。回收策略和多代 LRU 的可用性取决于内核配置和版本；应检查目标内核，而不是假定使用某个 LRU 实现。

固定页面、大量内核分配、不可回收的设备缓冲区以及策略保护的页面都会降低可回收容量。碎片也可能在空闲内存充足时阻止高阶分配。压缩会迁移可移动页面，形成连续的空闲块；kcompactd 可以在后台运行它，分配任务也可以同步执行压缩。THP 和 DMA 是此类块的常见使用者。

当回收和压缩无法满足分配时，内核会应用内存不足策略。OOM 处理可能是全局的、限定在内存 cgroup 中的，或受失败分配上下文约束。OOM kill 是恢复路径，并不证明被选中的进程就是内存增长的原始来源。在更改 oom_score_adj 之前，应调查 cgroup 限制、内存压力、分配模式和固定内存。

观察内存行为 #

应结合使用多个接口，因为每个接口报告不同层级：

cat /proc/meminfo
cat /proc/vmstat
cat /proc/pressure/memory
cat /proc/$$/maps
cat /proc/$$/smaps_rollup
cat /proc/$$/numa_maps
vmstat 1

/proc/PID/maps 列出 VMA。smaps 增加每个 VMA 的 RSS、比例集大小、匿名、文件、交换和页大小记账；smaps_rollup 汇总这些信息。numa_maps 显示局部性和策略。访问 /proc/PID/pagemap 受到限制，因为物理映射信息可能削弱安全边界。

对于缺页率，进程记账通过 getrusage(2) 暴露 ru_minflt 和 ru_majflt，而 /proc/PID/stat 包含每进程的次要和主要缺页计数器。/proc/vmstat 提供系统范围的 pgfault 和 pgmajfault 计数器。应结合延迟和 I/O 指标解释一段时间内的差值：主要缺页计数标识需要 I/O 的缺页路径，但不能独立证明存储设备导致了应用延迟。

/proc/pressure/memory 中的压力停顿信息（PSI）报告任务因内存压力而停顿的时间。将 PSI 与 vmstat、cgroup memory.events 和应用延迟结合，可以区分无害的缓存周转与持续回收或 cgroup 限制压力。

内核行为和可调参数会演进。主要参考资料是 Linux 内存管理索引、概念概览，以及目标版本位于 mm/ 下的源代码。