現在的伺服器大部分都是運作在Linux上面的，是以作為一個程式員有必要簡單地了解一下系統是如何運作的。
對于記憶體部分需要知道：
- 位址映射
- 記憶體管理的方式
- 缺頁異常
先來看一些基本的知識，在程序看來，記憶體分為核心态和使用者态兩部分，經典比例如下：
從使用者态到核心态一般通過系統調用、中斷來實作。使用者态的記憶體被劃分為不同的區域用于不同的目的：
當然核心态也不會無差别地使用，是以，其劃分如下：
下面來仔細看這些記憶體是如何管理的。
位址
在Linux内部的位址的映射過程為邏輯位址–>線性位址–>實體位址，實體位址最簡單：位址總線中傳輸的數字信号，而線性位址和邏輯位址所表示的則是一種轉換規則，線性位址規則如下：
這部分由MMU完成，其中涉及到主要的寄存器有CR0、CR3。機器指令中出現的是邏輯位址，邏輯位址規則如下：
在Linux中的邏輯位址等于線性位址，也就是說Inter為了相容把事情搞得很複雜，Linux簡化順便偷個懶。
記憶體管理的方式
在系統boot的時候會去探測記憶體的大小和情況，在建立複雜的結構之前，需要用一個簡單的方式來管理這些記憶體，這就是bootmem，簡單來說就是位圖，不過其中也有一些優化的思路。
bootmem再怎麼優化，效率都不高，在要配置設定記憶體的時候畢竟是要去周遊，buddy系統剛好能解決這個問題：在内部儲存一些2的幂次大小的空閑記憶體片段，如果要配置設定3page，去4page的清單裡面取一個，配置設定3個之後将剩下的1個放回去，記憶體釋放的過程剛好是一個逆過程。用一個圖來表示：
可以看到0、4、5、6、7都是正在使用的，那麼，1、2被釋放的時候，他們會合并嗎？
static inline unsigned long
__find_buddy_index(unsigned long page_idx, unsigned int order)
{
return page_idx ^ (1 << order);// 更新最高位，0～1互換
}
從上面這段代碼中可以看到，0、1是buddy，2、3是buddy，雖然1、2相鄰，但他們不是。記憶體碎片是系統運作的大敵，夥伴系統機制可以在一定程度上防止碎片~~另外，我們可以通過cat /proc/buddyinfo擷取到各order中的空閑的頁面數。
夥伴系統每次配置設定記憶體都是以頁（4KB）為機關的，但系統運作的時候使用的絕大部分的資料結構都是很小的，為一個小對象配置設定4KB顯然是不劃算了。Linux中使用slab來解決小對象的配置設定：
在運作時，slab向buddy“批發”一些記憶體，加工切塊以後“散賣”出去。随着大規模多處理器系統和NUMA系統的廣泛應用，slab終于暴露出不足：
- 複雜的隊列管理
- 管理資料和隊列存儲開銷較大
- 長時間運作partial隊列可能會非常長
- 對NUMA支援非常複雜
為了解決這些高手們開發了slub：改造page結構來削減slab管理結構的開銷、每個CPU都有一個本地活動的slab(kmem_cache_cpu)等。對于小型的嵌入式系統存在一個slab模拟層slob，在這種系統中它更有優勢。
小記憶體的問題算是解決了，但還有一個大記憶體的問題：用夥伴系統配置設定10 x 4KB的資料時，會去16 x 4KB的空閑清單裡面去找（這樣得到的實體記憶體是連續的），但很有可能系統裡面有記憶體，但是夥伴系統配置設定不出來，因為他們被分割成小的片段。那麼，vmalloc就是要用這些碎片來拼湊出一個大記憶體，相當于收集一些“邊角料”，組裝成一個成品後“出售”：
之前的記憶體都是直接映射的，第一次感覺到頁式管理的存在:D 另外對于高端記憶體，提供了kmap方法為page配置設定一個線性位址。
程序由不同長度的段組成：代碼段、動态庫的代碼、全局變量和動态産生資料的堆、棧等，在Linux中為每個程序管理了一套虛拟位址空間：
在我們寫代碼malloc完以後，并沒有馬上占用那麼大的實體記憶體，而僅僅是維護上面的虛拟位址空間而已，隻有在真正需要的時候才配置設定實體記憶體，這就是COW（COPY-ON-WRITE:寫時複制）技術，而實體配置設定的過程就是最複雜的缺頁異常處理環節了，下面來看!
缺頁異常
在實際需要某個虛拟記憶體區域的資料之前，和實體記憶體之間的映射關系不會建立。如果程序通路的虛拟位址空間部分尚未與頁幀關聯，處理器自動引發一個缺頁異常。在核心處理缺頁異常時可以拿到的資訊如下：
- cr2：通路到線性位址
- err_code：異常發生時由控制單元壓入棧中，表示發生異常的原因
- regs：發生異常時寄存器的值
處理的流程如下：
發生缺頁異常的時候，可能因為不常使用而被swap到磁盤上了，swap相關的指令如下：
swapon 開啟swap
swapoff 關閉swap
/proc/sys/vm/swapiness 分值越大越積極使用swap，可以修改/etc/sysctl.conf中添加vm.swappiness=xx[1-100]來修改 如果記憶體是mmap映射到記憶體中的，那麼在讀、寫對應記憶體的時候也會産生缺頁異常。
本文轉載自：http://www.linuxprobe.com/programmer-must-read%EF%BC%9A-linux-memory-management/
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