我们常说的内存容量，比方说我的笔记本电脑内存就是8GB，其实指的是物理内存。物理内存也称为主存，大多数计算机用的主存都是动态随机访问内存（DRAM）。只有内核才可以直接访问物理内存。

linux内核给每个进程都提供了一个独立的虚拟地址空间，并且这个地址空间是连续的，这样，进程就可以很方便地访问内存，更确切地说是访问虚拟内存。

虚拟地址空间的内部又被分为内核空间和用户空间两部分，不同字长（也就是单个CPU指令可以处理数据的最大长度）的处理器，地址空间的范围也不同。比如最常见的32位和64位系统。如下所示：

32位系统的内核空间占用1G，位于最高处，剩下的3G是用户空间。而64位系统的内核空间和用户空间都是128T，分别占据整个内存空间的最高和最低处，没剩下的中间部分是未定义的。

进程在用户态时，只能是访问用户空间内存；只有进入内核态后，才可以访问内核空间内存。虽然每个进程的地址空间都包含了内核空间，但这些内核空间，其实关联的都是相同的物理内存。这样，进程切换到内核态后，就可以很方便地访问内核空间内存。

既然每个进程都有这么一个大的地址空间，那么所有进程的虚拟内存加起来，自然要比实际的物理内存大得多。所以，并不是所有的虚拟内存都会分配物理内存，只有那些实际使用的虚拟内存才分配物理内存，并且分配后的物理内存，是通过内存映射来管理的。

内存映射，其实就是将虚拟内存地址映射到物理内存地址。为了完成内存映射，内核为每个进程都维护了一张页表，记录虚拟地址与物理地址的映射关系。如下图所示：

页表实际上存储在CPU的内存管理单元MMU中，这样，正常情况下，处理器就可以直接通过硬件，找出要访问的内存。linux里面所有的概念皆结构（c语言的结构体），页表也是一种结构体，也就是数据，所以保存还是在内存里面。MMU其实就是一个硬件，它的作用就是找到某个虚拟地址到物理地址的映射，也就是找到正确的页表项。然后再交给cpu，当然也可以把找到的结果缓存在TBL中，这样cpu下次使用同一个虚拟地址就省了转换这步了。

而当进程访问的虚拟地址在页表中查不到时，系统会产生一个缺页异常，进入内核空间分配物理内存，更新进程页表，最后再返回用户空间，恢复进程的运行。

TLB（Translation Lookaside Buffer,转译后备缓冲器）会影响cpu的内存访问性能。TLB其实就是MMU中页表的高速缓存。由于进程的虚拟地址空间是独立的，而TLB的访问速度又比MMU快的多，所以，通过减少进程的上下文切换，减少TLB的刷新次数，就可以提高TLB缓存的使用率，进而提高cpu的内存访问性能。

注意：MMU并不以字节为单位来管理内存，而是规定了一个内存映射的最小单位，也就是页，通常是4KB大小。这样，每一次内存映射，都需要关联4KB或者4KB整数倍的内存空间。

页的大小只有4KB ，导致的另一个问题就是，整个页表会变的非常大。比方说，仅32位系统就需要100万多个页表项（4GB/4KB）才可以实现整个地址空间的映射。为了解决页表项过多的问题，linux提供了两种机制，也就是多级页表和大页（HugePage）

多级页表就是把内存分成区块来管理，将原来的映射关系改成区块索引和区块内的偏移。由于虚拟内存空间通常只用了很少一部分，那么，多级页表就只保存这些使用中的区块，这样就可以大大地减少页表的项数。

linux用的是四级页表来管理内存页，虚拟地址被分成5分部分，前4个表项用于选择页，而最后一个索引表示页内偏移。

大页，顾名思义，就是比普通页更大的内存块，常见的大小有2MB和1GB，大页通常用在使用大量内存的进程上，比如Oracle，DPDK等

虚拟内存空间分布

如图所示：

最上方的内核空间不用多讲，下方的用户空间内存，分成了多个不同的段。通过这张图可以看到，用户空间内存，从低到高分别是5种不同的内存段 1.只读段，包括代码和常量等。 2.数据段，包括全局变量等。 3.堆，包括动态分配的内存，从低地址开始向上增长。 4.文件映射，包括动态库，共享内存等，从高地址开始向下增长 5.栈，包括局部变量和函数调用的上下文等。栈的大小是固定的，一般是8MB。在这5个内存段中，堆和文件映射的内存是动态分配的。比如说，使用C标准库的malloc()或者mmap()，就可以分别在堆和文件映射动态分配内存 64位系统的内存分布也类似，只不过内存空间要大得多

内存分配与回收

malloc()是C标准库的内存分配函数，对应到系统调用上，有两种实现方式，即brk()和mmap()

对小块内存（小于128k），C标准库使用brk()来分配，也就是通过调用移动堆顶的位置来分配内存。这些内存释放后并不会立刻归还系统，而是被缓存起来，这样就可以重复使用。

而大块内存（大于128k），则直接使用内存映射mmap（）来分配，也就是在文件映射段找一块空闲内存分配出去。

这两种方式自然各有优缺点 brk()方式的缓存，可以减少缺页异常的发生，提高内存访问效率。不过，由于这些内存没有归还系统，在内存工作繁忙时，频繁的内存分配和释放会造成内存碎片。

而mmap()方式分配的内存，会在释放时直接归还系统，所以每次mmap都会发生缺页异常。在内存工作繁忙时，频繁的内存分配都导致大量的缺页异常，使内核的管理负担增大。这也是malloc只对大块内存使用mmap的原因

了解这两种调用方式后，我们还需要清除一点，就是当这两种调用发生后，其实并没有真正分配内存。这些内存，都只在首次访问时才分配，也就是通过缺页异常进入内核中，再由内核来分配内存。

整体来说，linux使用伙伴系统来管理内存分配。这些内存在MMU中以页为单位进行管理，伙伴系统也一样，以页为单位来管理内存，并且会通过相邻页的合并，减少内存碎片化(比如brk方式造成的内存碎片)

如果遇到比页更小的对象，比如不到1k的时候。实际系统运行中，确实有大量比页还小的对象，如果为它们也分配单独的页，那就太浪费内存。

所以在用户空间，malloc通过brk()分配的内存，在释放时并不会立即归还系统，而是缓存起来重复利用。在内核空间，linux则通过slab分配器来管理小内存。你可以把slab看成构建在伙伴系统上的一个缓存，主要作用就是分配并释放内核中的小对象。

对内存来说，如果只分配而不释放，就会造成内存泄漏，甚至会耗尽系统内存。所以，在应用程序用完后，还需要调用free()或unmap()来释放这些不用的内存。

当然，系统也不会任由某个进程用完所有内存。在发现内存紧张时，系统就会通过一系列机制来回收内存，比如下面这三种方式：。回收缓存，比如使用LRU(Least Recently Used)算法，回收最近使用最少的内存页面；。回收不常访问的内存，把不常用的内存通过交换分区直接写到磁盘中；。杀死进程，内存紧张时系统还会通过OOM（Out of Memory），直接杀掉占用大量内存的进程。

其中，第二种方式回收不常用访问的内存时，会用到交换分区（以下简称swap）。swap其实就是把一块磁盘空到当成内存来用。它可以把进程暂时不用的数据存储到磁盘中（这个过程称为换出），当进程访问这些内存时，再从磁盘读取这些数据到内存中（这个过程称为换入）

所以，可以发现，Swap把系统的可用内存变大了。不过要注意，通常只在内存不足时，才会发生swap交换。并且由于磁盘读写的速度远比内存慢，swap会导致严重的内存性能问题。

第三种方式提到的OOM（Out of memory）其实是内核的一种保护机制。它监控进程的内存使用情况，并且使用oom_score为每个进程的内存使用情况进行评分：。一个进程消耗的内存越大，oom_score就越小。一个进程运行占用的cpu越多，oom_score就越小

这样，进程的oom_score越大，代表消耗的内存越多，也就越容易被OOM杀死，从而可以更好保护系统。

当然，为了实际工作的需要，可以通过/proc文件系统，手动设置进程的oom_adj，从而调整进程的oom_score

oom_adj的范围是[-17, 15],数值越大，表示进程越容易被OOM杀死；数值越小，表示进程越不容易被OOM杀死，其中-17表示禁止OOM

比如用下面的命令，可以把sshd进程的oom_adj调笑为-16，这样，sshd进程就不容易被OOM杀死

echo -16 > /proc/$(pidof sshd)/oom_adj