Linux系统内存分配及管理策略详解

在Linux系统中，内存管理是一个非常重要的方面。因为Linux系统运行的应用程序都需要在内存中运行，因此在如何管理和分配内存方面，对系统的性能和稳定性都有着决定性的影响。本文将深入探讨Linux系统内存分配及管理策略，希望能为读者在使用Linux系统时提供一些有益的参考。

一、内存管理概述

在Linux系统中，内存管理主要包括内存分配、内存回收、内存压缩等方面。其中，内存分配就是分配系统中的物理内存给进程使用的过程，内存回收则是将已经分配给进程的内存释放回系统，而内存压缩则是对内存中已经分配的数据进行压缩以释放更多的空间。

在Linux中，内存管理是通过虚拟内存机制来实现的。虚拟内存是系统中所有进程共享的一块内存空间，它将物理内存和交换空间（即硬盘空间）组合在一起，为进程提供虚拟地址空间，从而使每个进程都能够使用大于系统物理内存总量的内存。

二、内存分配策略

在Linux系统中，内存分配主要有两种方式：连续内存分配和非连续内存分配。

1.连续内存分配

连续内存分配是指在物理内存上连续地分配一块内存空间给进程，这种方式适合于需要大量内存的进程（比如虚拟机）。在Linux系统中，连续内存分配主要有以下几种方式：

(1)伙伴系统：伙伴系统是连续内存分配的一种主流方式。它将可用的内存分为若干个大小相等的块，每个块都是2的幂次方大小。当需要分配内存时，系统会查找能够满足分配大小的块，如果找到了，则将该块分配给申请者，并将其拆分成更小的块；如果找不到，则会向上一个幂次方的块申请，并将其拆分成更小的块。

(2)SLAB分配器：SLAB分配器是一种更加高效的连续内存分配方式。它会将可用的内存区域分为三个区域：高速缓存、可用空闲缓存和溢出缓存，进程申请内存时，SLAB分配器会按照自己的算法从这些缓存中分配内存。

(3)NUMA高速缓存：NUMA高速缓存是一种面向多处理器系统的连续内存分配方式。它会将物理内存空间分为若干个区域，并为每个区域分配一个SLAB缓存，这些缓存会被分配给多个处理器使用，从而提高系统的性能和可扩展性。

2.非连续内存分配

与连续内存分配不同，非连续内存分配是指将分配的内存空间分为若干小块，并将它们分散存储在物理内存中，进程需要访问这些内存块时，再根据虚拟内存机制将它们映射到进程的虚拟地址空间中。在Linux系统中，非连续内存分配主要有以下几种方式：

(1)散列表:散列表是一种常用的非连续内存分配方式，它会将分配的内存块存储在散列表中，并为每个内存块分配一个唯一的标识符，进程需要访问某个内存块时，只需使用该块的标识符即可。

(2)SLUB分配器：SLUB分配器是一种更加高效的非连续内存分配方式。它会将可用的内存区域分为三个区域：高速缓存、可用空闲缓存和溢出缓存，进程申请内存时，SLUB分配器会按照自己的算法从这些缓存中分配内存。

(3)SLQB分配器：SLQB分配器是一种适用于低端系统的非连续内存分配方式，它采用了类似于伙伴系统的方法，将可用的内存分为若干个大小相等的块，并按照大小分类存储，进程需要申请内存时，SLQB分配器会找到最适合的大小的内存块，并将其分配给申请者。

三、内存回收策略

在Linux系统中，内存回收主要有两种方法：按需分页和周期性回收。

1.按需分页

按需分页是指在进程需要更多内存时，系统会将分配给进程的内存从物理内存中分页出来，并将它们转移到交换空间中，以释放更多的物理内存。在Linux系统中，按需分页主要由虚拟内存子系统来完成，该子系统会监测所有进程分配的内存空间，并根据进程的需求和系统的负载情况进行分页。

2.周期性回收

周期性回收是指在系统运行一段时间后，系统会将已经被释放的内存空间回收并归还给物理内存中。在Linux系统中，周期性回收是由内核线程kswapd来完成的，该线程会定时扫描内存中的空闲页，将它们回收并归还给物理内存。

四、内存压缩策略

在Linux系统中，内存压缩是一种将已经分配的内存压缩成更小的空间以节省物理内存的技术。在Linux系统中，内存压缩主要由虚拟内存子系统来完成，该子系统会将已经分配的内存空间压缩成更小的空间，并将它们放入物理内存中。

五、总结

Linux系统中的内存管理是一个非常重要的方面，它直接影响着系统的性能和稳定性。在本文中，我们介绍了Linux系统中的内存分配、内存回收和内存压缩策略，并且详细讲解了它们的实现原理和优缺点。希望本文能够为读者在使用Linux系统时提供一些有益的参考。