Linux 内存管理（Memory）

下面是一份 「内核级视角」Linux 内存管理（Memory）核心子系统详解。

不是 free/top 用法，而是从硬件 -> 内核数据结构 -> 页分配 -> 虚拟内存 -> NUMA -> OOM -> 容器的完整认知体系。

适用 RHEL / AlmaLinux / Debian / Ubuntu / 云 / 容器 / 数据库 / 虚拟化。

一、Linux 内存管理的总体目标

在“有限物理内存 + 大量进程 + IO 并发”的条件下，实现：

隔离（每进程独立地址空间）
高效（尽量命中缓存）
可回收（随时 reclaim）
可控制（cgroup / NUMA）

二、从硬件开始：物理内存模型

1️⃣ RAM + Cache + Swap

CPU
 ├─ L1/L2/L3 Cache
 ├─ MMU / TLB
 └─ RAM
     └─ Swap（磁盘）

📌 Linux 的内存管理 强依赖 MMU

2️⃣ 页（Page）是最小单位

默认页大小：4KB
大页：2MB / 1GB（HugePage）

struct page {
    unsigned long flags;
    atomic_t _refcount;
    ...
}

三、虚拟内存（VM）核心思想

Linux 给每个进程一个“假想无限大”的内存空间

1️⃣ 虚拟地址空间

0x00000000 ────────── user space
            heap
            mmap
            stack
0xC0000000 ────────── kernel space

每进程独立
内核空间共享

2️⃣ 地址转换（关键路径）

虚拟地址 -> 页表 -> 物理页 -> cache -> RAM

由 MMU + 页表 + TLB 完成

四、内核核心数据结构

1️⃣ mm_struct（进程内存视图）

struct mm_struct {
    pgd_t *pgd;
    unsigned long total_vm;
    unsigned long rss;
    struct vm_area_struct *mmap;
}

2️⃣ VMA（虚拟内存区域）

struct vm_area_struct {
    unsigned long vm_start;
    unsigned long vm_end;
    unsigned long vm_flags;
}

📌 mmap / heap / stack 都是 VMA

五、页分配器（Buddy System）

1️⃣ Buddy 分配原理

管理 2^n 页块
快速分配 / 合并

Order 0 = 1 page
Order 1 = 2 pages
Order 10 = 1024 pages

2️⃣ 内存碎片问题

外部碎片
解决方案：
- 内存压缩（compaction）
- HugePage 预留

六、Slab / Slub 分配器（对象级）

避免频繁 page 分配

slab：老
slub：默认（RHEL / Ubuntu）

用于：

inode
dentry
task_struct

七、Page Cache（性能核心）

1️⃣ Page Cache 是什么

文件 IO 的缓存层

读：磁盘 -> page cache -> 进程
写：进程 -> page cache -> 异步刷盘

📌 free 内存 ≠ 可用内存

2️⃣ 脏页（Dirty Page）

dirty_ratio
dirty_background_ratio

vm.dirty_ratio=20
vm.dirty_background_ratio=10

八、Swap（不是洪水猛兽）

1️⃣ Swap 的作用

回收匿名页
防止 OOM

2️⃣ Swappiness

vm.swappiness=10

数据库：低
桌面：高

九、内存回收（Reclaim）

1️⃣ LRU 链表

Active / Inactive
Anon / File

2️⃣ kswapd vs direct reclaim

类型	触发
kswapd	后台
direct	分配失败

📌 direct reclaim 会卡业务

十、OOM Killer（最后防线）

1️⃣ OOM 触发条件

reclaim 失败
swap 不足

2️⃣ OOM 评分

oom_score
oom_score_adj

3️⃣ 容器 OOM

cgroup 内存限制触发 OOM，不影响宿主

十一、NUMA 内存管理

1️⃣ NUMA 节点

Node0 ←-> Node1

本地内存快
远程慢

2️⃣ NUMA balancing

自动页迁移
数据库通常关闭

十二、HugePages（数据库重点）

1️⃣ HugeTLB

2MB / 1GB
减少 TLB miss

2️⃣ Transparent Huge Pages（THP）

自动
数据库一般禁用

echo never > /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled

十三、cgroups v2 内存控制

1️⃣ 控制项

memory.max
memory.high
memory.swap.max

2️⃣ OOM 行为变化

OOM confined
优先 kill 容器内

十四、内存与容器 / 虚拟化

容器

看见的是“虚拟限制”
page cache 可共享

虚拟机

双重页表（EPT）
ballooning

十五、常见误区纠正

❌ free 显示内存用完了

✅ cache 可回收

❌ swap 一定慢

✅ 没 swap 更容易 OOM

❌ THP 一定好

✅ DB 常常抖动

十六、关键内核参数速查

vm.swappiness
vm.overcommit_memory
vm.dirty_ratio
vm.dirty_background_ratio
vm.max_map_count

十七、总结

Linux 内存管理 = 虚拟内存 + 页表 + 页分配器 + Page Cache + Reclaim + OOM + NUMA + cgroup