Linux内核内存管理深度实战：从伙伴系统到OOM Killer

引言

Linux 内核的内存管理是操作系统中最复杂、最核心的子系统之一。它不仅负责物理内存的分配与回收，还要在多个进程之间公平高效地共享有限的内存资源，同时向用户空间提供简洁统一的抽象接口。本文将深入 Linux 内核内存管理的核心机制，从物理页框管理、伙伴系统（Buddy System）、SLAB/SLUB 分配器，到虚拟内存映射、页面置换算法以及 OOM Killer 实战，逐层剖析其设计哲学与实现原理。

一、物理内存模型与页框管理

1.1 统一内存模型（UMA）与非统一内存模型（NUMA）

Linux 内核支持两种物理内存拓扑模型：

• UMA（Uniform Memory Access）：所有 CPU 访问任意物理内存地址的延迟相同，常见于传统 SMP 系统。
• NUMA（Non-Uniform Memory Access）：将内存划分为多个节点（Node），每个 CPU 访问本地节点内存时延最低，跨节点访问时延较高。现代多路服务器普遍采用此架构。

内核使用 pg_data_t 结构描述每个 NUMA 节点，包含该节点的内存域（Zone）列表、起始页帧号（node_start_pfn）和页数（node_present_pages）。在 x86_64 架构下，页面大小通常为 4KB，即一个页框（Page Frame）为 4096 字节。

1.2 内存域（Zone）划分

物理内存按用途被划分为多个域：

• ZONE_DMA：0~16MB，用于兼容性 DMA 操作的设备缓冲区。
• ZONE_DMA32：16MB~4GB，支持 32 位 DMA 设备。
• ZONE_NORMAL：直接映射到内核虚拟地址空间的高端部分，内核可直接访问。
• ZONE_HIGHMEM（仅 32 位系统）：896MB 以上的物理内存，需要动态映射才能被内核访问。
• ZONE_MOVABLE：内核 2.6.23 引入的可移动内存域，用于内存热插拔，其中的页面可以被迁移。

每个 zone 通过 zone-