内存管理是操作系统的主要功能。从操作系统启动到进程0（空闲进程）的创建，大部分运行的代码都与内存有关。操作系统的内存管理大致分为几个层次：1.物理内存管理物理内存是计算机上真正的内存大小，可以通过BIOS获取这个数据。分页后，物理内存的管理结构是一个数组，每一项代表1个物理内存页，每页4096字节。如下图所示：物理内存的管理结构在一个简单的内核demo中，物理内存页的管理结构只能有一项：atomic_trefs；即物理内存页的引用计数：计数为0表示空闲，>0表示正在使用，具体数字表示共享该页的进程数。简单的内核demo一般不支持SMP架构，所以自旋锁（spinlock）也省了。在对称多处理器(SMP)CPU上，需要自旋锁，因为全局数据结构将被多个CPU并发访问。那么，物理内存页的管理结构至少有两项：atomic_tspinlock；atomic_t参考；自旋锁的作用类似于应用程序中的锁（互斥量），只是在获取失败后会继续再次获取，直到获取成功。voidspin_lock(atomic_t*lock){while(spin_trylock(lock)==0);}这个是加锁自旋锁的函数，while循环直到成功，如果失败就在那里自旋，一直往回转，所以称为自锁。扭锁。它用于（对称多处理器）SMP环境以保护共享数据结构：当一个CPU持有自旋锁时，另一个CPU无法访问共享数据。如果是单CPU环境，不需要使用自旋锁，直接关闭中断即可。在单CPU的情况下，关闭中断可以防止内核并发，共享数据不会被践踏。但是多个CPU必须使用自旋锁，因为关闭中断只能关闭当前CPU，不能关闭其他CPU：这时候就需要自旋锁来保护共享数据。物理内存的管理数组是最重要的全局共享数据。当某个进程需要申请内存时，哪些内存页是空闲的，哪些已经被使用了，要看这个数组。在加自旋锁的时候，一定要先关闭中断，因为如果在加锁之后和关闭中断之前刚好有一个中断，在中断处理函数中再次请求同一个锁，就会递归死锁向上。Linux内核关闭和锁定的函数调用：spin_lock_irqsave()。Linux内核分配物理内存页的函数调用：get_free_pages()，可以分配1页或连续的多页内存。如果分配了多页内存，则起始地址必须按页数对齐。2.虚拟内存管理虚拟内存是通过进程的页表来管理的。为了节省物理内存，新创建的进程与父进程共享同一组物理内存页。只有当一个新进程要写一个内存页时，它才会复制一个新的物理内存页给它，然后取消与父进程共享该页，这就是copy-on-write。Thecopy-on-writeprocess写时复制过程：1）申请新的内存页，2）将旧内存页的内容复制到新内存页，3）填充新内存页的地址到子进程的页表中，4)将旧内存页的引用计数减1。因此，当一个新进程刚被创建时，它的用户空间并没有自己的物理内存页，只有当它是操作需要，通过copy-on-write逐位添加，使物理内存最大程度的空闲。另一种尽可能保持物理内存空闲的机制是按需加载：1）mmaping文件时，操作系统不会直接为文件分配内存并将其内容加载到内存中，2）但是当进程真正读取某个部分时文件的一部分，它申请一个物理内存页，并将这部分内容从磁盘读取到内存中。写入时复制，读取时加载。当大火迫在眉睫时，Linux系统不会把物理内存给进程。3.用户态的内存功能以上机制都在OS内核中，应用程序的代码不用管它。应用程序分配内存的最低级别函数是brk()系统调用。brk()函数brk()是一个系统调用，其作用是修改应用程序数据段的末尾，从而分配或回收应用程序的堆空间。brk系统调用的功能在C库中被封装成sbrk()和brk()两个函数，更符合人们的习惯：sbrk()用于申请内存：void*sbrk(intincrement);brk()用于回收内存：intbrk(void*addr);事实上，Linux系统只有一个brk()系统调用，它不仅设置了进程数据段的结束，还将这个值返回给应用程序。Linux内核头文件的sys_brk()函数在Linux内核的头文件中，brk()系统调用的处理函数sys_brk()是这样定义的，如上图所示。如果想直接使用系统调用，可以使用linux的syscall()函数，依次传入调用号和参数列表，就可以看到哪些是真正的系统调用，哪些是包C库。syscall()函数的声明是：longsyscall(longnumber,...);它的参数是可变的，系统调用的参数最多只有6个，因为寄存器的个数是有限的。在sbrk()和brk()的基础上重新包装就是人们经常使用的malloc()和free()。malloc()申请的内存是一块一块的，可以乱序释放，不影响使用。brk()和sbrk()申请的内存必须按顺序释放，因为它会修改进程的数据段末尾：如果使用了数据段末尾（brk）以外的堆空间，则为分段错误。所以linuxman手册上说应用程序不应该使用sbrk()和brk()来申请和释放内存。brk()的作用只是通知Linux内核堆内存的哪个范围是可用的。真正的物理内存页是在进程真正读写内存的时候申请的，是由内核根据copy-on-write/demandloading自动完成的，应用程序并不知道这一点。Linux还将不经常使用的物理内存页交换到磁盘（即交换分区）以释放更多内存。因此，当内存不足时，磁盘的读写频率也会增加。
