[置顶] 从总体上把握Linux内存管理
注：作者水平有限，欢迎对本文提出宝贵意见。
1.建立内存碎片的概念
内存碎片分为：内部碎片和外部碎片
1.1 内部碎片
1.2 外部碎片
外部碎片指的是还没有被分配出去（不属于任何进程），但由于太小了无法分配给申请内存空间的新进程的内存空闲区域。
外部碎片是出于任何已分配区域或页面外部的空闲存储块。这些存储块的总和可以满足当前申请的长度要求，但是由于它们的地址不连续或其他原因，使得系统无法满足当前申请。
造成原因：系统虽有足够的内存，但却都是分散的碎片，无法满足对大块“连续内存”的需求。
2.伙伴算法
2.1 伙伴机制原理
Buddy System是一种经典的内存管理算法。在Unix和Linux操作系统中都有用到。其作用是减少存储空间中的空洞、减少外部碎片、增加利用率。
伙伴算法把内存块按大小分组管理，即将所有空闲页帧分组为11个块链表（block List）,每个块链表分别包含1,2,4,8,16,32,64,128,256,512,1024个连续的页帧（也就是2的0次方，到2的10次方）。
我们通过一个简单的例子来说明该算法的工作原理。
假设要求分配的块其大小为128个页面（由多个页面组成的块我们就叫做页面块）。
(1)该算法先在块大小为128个页面的链表中查找，看是否有这样一个空闲块。如果有，就直接分配；
(2)如果没有，该算法会查找下一个更大的块，具体地说，就是在块大小为256个页面的链表中查找一个空闲块。如果存在这样的空闲块，内核就把这256个页面分为两等份，一份分配出去，另一份插入到块大小为128个页面的链表中。
(3)如果在块大小为256个页面的链表中也没有找到空闲页块，就继续找更大的块，即512个页面的块。如果存在这样的块，内核就从512个页面的块中分出128个页面满足请求，然后从384个页面中取出256个页面插入到块大小为256个页面的链表中。然后把剩余的128个页面插入到块大小为128个页面的链表中。
(4)如果512个页面的链表中还没有空闲块，就继续找更大的块，即1024个页面的块。重复类似上面的过程。如果在1024页面的块链表中还没找到，则返回出错信号。
以上过程的逆过程就是块的释放过程，这也是该算法名字的来由。页帧块在释放时，会主动将两个连续的页帧块合并为一个较大的页帧块。
满足以下条件的两个块称为伙伴：
· 两个块的大小相同
· 两个块的物理地址连续
伙伴算法把满足以上条件的两个块合并为一个块，该算法是迭代算法，如果合并后的块还可以跟相邻的块进行合并，那么该算法就继续合并。
由于页帧的分配不再盲目，因此在一定程度上减轻了外部碎片，但并未彻底解决外部碎片的问题。
与此同时，伙伴系统还带来了很多内部碎片。
Linux内核通过slab机制来解决内部碎片的问题。
3.Slab/Slub机制
3.1 出现背景
Linux内核以页为最小单位分配内存.但内核最常使用的内存往往很小，远小于1页4K，如文件描述符fd,进程描述符PID，虚拟内存区描述符等。根据前面的理论，“内部碎片就是已经被分配出去（能明确指出属于哪个进程）却不能被利用的内存空间”，可见这种情况下容易导致内部碎片问题。此外，内核通常依赖于这些小对象的分配，因此这些对象会在系统生命周期内进行无数次分配（包括初始化、构造及销毁），影响系统的性能。
3.2 工作原理
为了满足对这种小内存块的需要，Linux内核采用了一种“slab缓存分配器”的技术，其核心思想就是“存储池”的运用。
小块内存被看做对象，当被使用完后，并不直接释放，而是被缓存到存储池里，下次可继续使用，这无疑避免了频繁创建和销毁对象带来的系统开销。
slab分配器还支持通用对象的初始化，从而避免了为同一目的而对同一对象重复进行初始化。