Linux 内存管理 (Memory Management)

abbr.	stand for	meaning
THP	Transparent Huge Page	透明大页
VMA	Virtual Memory Area	虚拟内存区域
TLB	Translation Lookaside Buffer	转换后备缓冲区
UFFD	Userfaultfd	用户态页错误处理
PTE	Page Table Entry	页表项
PFN	Page Frame Number	页框号
MMU	Memory Management Unit	内存管理单元
wp	Write Protect	写保护
pm	Page Map	页面映射

参考

此表概述了在 x86-64 系统启动时，主内核内存管理激活之前，物理 RAM 的前几兆字节是如何按顺序使用的。

物理地址范围（约）	阶段	描述
0x00000000 - 0x0009FFFF（前 640 KB）	BIOS/UEFI 和引导加载程序	这是"常规内存"区域。系统 BIOS/UEFI 使用此区域的部分用于其数据和中断向量。引导加载程序（如 GRUB）被加载到此处并开始执行。
0x000A0000 - 0x000FFFFF	硬件和 BIOS ROM	保留给硬件使用，如视频缓冲区和 BIOS ROM 映射。
0x00100000（1 MB）及以上	内核加载	引导加载程序将压缩的内核映像和初始 RAM 磁盘（initramfs）加载到物理内存的这个区域。
变化（低内存）	早期内核数据	内核的初始页表和引导时内存管理器（memblock）的数据结构在低物理内存中设置，用于在最终内存管理初始化之前管理系统的内存映射。

一旦内核在 64 位长模式下运行，它就会建立虚拟地址空间。当前的 x86-64 CPU 使用 48 位虚拟地址，创建一个巨大的 256 TB 空间，该空间在用户应用程序和内核本身之间分配。

虚拟地址范围	区域	描述
0x0000000000000000 - 0x00007FFFFFFFFFFF	用户空间（128 TB）	整个下半部分可供用户进程使用。每个进程在此范围内都有自己的独立映射。此空间内的布局在表 3 中详述。
0x0000800000000000 - 0xFFFF7FFFFFFFFFFF	非规范"空洞"	这个巨大的间隙未被使用。CPU 强制所有有效地址的高 16 位必须全为零（用户空间）或全为一（内核空间）。
0xFFFF800000000000 - 0xFFFFFFFFFFFFFFFF	内核空间（128 TB）	上半部分保留给内核。它大部分是恒定的，并映射在每个进程的地址空间中，尽管它受到保护，不允许用户模式访问。
0xFFFF880000000000 - 0xFFFFC7FFFFFFFFFF（内核空间内）	直接内存映射	这个 64 TB 区域是系统所有物理 RAM 的直接线性映射。这里的内核逻辑地址可以通过简单地减去偏移量转换为物理地址。这允许对任何物理页面进行快速、高效的访问。
变化（内核空间内）	vmalloc 和 ioremap 区域	用于分配可能物理上分散的虚拟连续内存（vmalloc）和将硬件设备内存映射到内核地址空间（ioremap）。
变化（内核空间内）	内核文本、数据、BSS	内核本身的实际代码和静态数据被加载到此处。内核映像通常放置在此区域的顶部。
变化（内核空间内）	特殊映射	包括 EFI 运行时服务的区域，仅在需要时映射。

此表显示了单个运行程序在 128 TB 用户空间区域内的标准布局。确切的地址通过地址空间布局随机化（ASLR）进行随机化以提高安全性。

区域	描述	增长方向
文本段（.text）	程序的可执行代码。映射为只读和可执行。64 位程序的默认起始地址通常是 0x400000。	静态
数据段（.data，.bss）	存储已初始化（.data）和未初始化（.bss）的全局和静态变量。	静态
堆	动态分配的内存，由 malloc() 和 brk() 等函数管理。用于必须超出创建它的函数调用生存期的数据。	向上增长（朝向更高地址）
内存映射段	用于内存映射文件和由动态链接器加载的共享库（.so 文件）。大的 malloc 分配也可能使用此区域。	变化
栈	存储局部变量、函数参数和函数调用的返回地址。进程中的每个线程都有自己的栈。	向下增长（朝向更低地址）
vDSO 和 [vsyscall]	虚拟动态共享对象。内核暴露的一个小内存区域，用于加速某些系统调用（如 gettimeofday），而无需上下文切换的完整开销。	静态（地址随机化）
内核空间	虚拟地址空间的上 128 TB 为内核映射，但用户模式无法访问。	静态

内核进一步将物理内存划分为逻辑"区域"，以处理硬件限制，特别是直接内存访问（DMA）。这些不是地址范围，而是物理页面的逻辑分组。

区域名称	描述
ZONE_DMA	包含物理内存前 16 MB 内的页面。旧的 ISA 设备需要此区域，这些设备只能在此有限范围内执行 DMA。
ZONE_DMA32	在 64 位系统上，包含前 4 GB 内的页面。用于 32 位设备，这些设备可以对 32 位范围内的任何地址执行 DMA，但不能在完整的 64 位空间内执行。
ZONE_NORMAL	包含内核直接映射的所有"正常"物理内存。在 64 位系统上，这涵盖了大部分 RAM。这是大多数内核分配的首选区域。
ZONE_HIGHMEM	（主要是 32 位架构）~896 MB 标记以上的内存，未永久映射到内核的地址空间中。访问它需要创建临时映射（kmap()）。
ZONE_MOVABLE	包含内核可以移动其物理位置的页面。这对于减少内存碎片和支持内存热插拔至关重要。
ZONE_DEVICE	表示设备上的内存，如持久内存（PMEM）或 GPU，这些设备具有与标准 RAM 不同的特性。