1. 介绍
内存，这里指的是随机存取存储器，即RAM，现在普遍使用的是DDR SDRAM
内存是CPU能直接寻址的存储空间，用于暂时存放CPU中的运算数据，以及与硬盘等外部存储器交换的数据
2. 寻址
地址空间是指CPU对存储器编码地址的范围，现代CPU地址总线多为32位，因此地址空间可达2的32次方,即4GB
下图是外设和地址空间的映射关系
从上图中可以看到，各类存储器(高速缓冲存储器、内存、外存、外设等)通过总线与CPU相连，所有的物理存储器被看作一个由若干存储单元组成的逻辑存储器，每个物理存储器在这个逻辑存储器中占有一个地址段，即一段地址空间
CPU在这段地址空间中读写数据，实际上就是在相对应的物理存储器中读写数据
对于外设，CPU通过读写设备上的寄存器来管理和使用，外设寄存器也称为"I/O端口"
I/O端口有两种寻址方式：独立编址和统一编址
统一编址：外设接口中的IO寄存器（即IO端口）与主存单元一样看待，每个端口占用一个存储单元的地址，将主存的一部分划出来用作IO地址空间，统一编址也称为“I/O内存”方式，外设寄存器位于“内存空间”
独立编址：也称单独编址，即IO地址与存储地址分开独立编址，I/O端口地址不占用存储空间的地址范围，这样，在系统中就存在了另一种与存储地址无关的IO地址，CPU也必须具有专用与输入输出操作的IO指令（IN、OUT等）和控制逻辑
x86 CPU对外设的寻址采用的是独立编址，存在I/O空间的概念
而大多数嵌入式CPU，如ARM、PowerPC等并不提供I/O空间，通过内存地址访问
Linux为了兼容不同的CPU，于是它采用一种新的方法，将基于I/O映射方式的或内存映射方式的I/O端口通称为I/O区域
更多内容参考<Linux中的IO端口映射和IO内存映射>
3. MMU
3.1 介绍
现代处理器中通常包含的MMU(Memory Management Unit，内存管理单元)和Cache(缓存)来协助处理器进行存储空间的访问，从而满足现代操作系统多任务的需求。 
MMU的作用在于将CPU发出的虚拟地址(VA)翻译成物理地址(PA)，即进行地址转换；同时提供硬件机制的内存访问权限检查
Cache的出现是由于CPU与内存的速度不匹配，为了尽可能的发挥CPU的高速度
不同处理器实现的MMU和Cache差异较大，比较经典的是x86处理器和RISC系列处理器，两者不同之处在于是否分段
x86处理器的MMU通常有分段和分页，于是有了三种概念，逻辑地址，线性地址，物理地址
逻辑地址: 机器语言指令用这种地址指定一个操作数的地址或一条指令的地址；这种寻址方式把程序分为若干段，每个逻辑地址都由一个段和偏移量组成。
线性地址: 线性地址是一个32位的无符号整数，可以寻址2^32(4GB)的地址；其取值范围为0x00000000～0xFFFFFFFF
物理地址: 内存单元的实际地址，用于芯片级内存单元寻址；物理地址也由32位无符号整数表示
RISC系列处理器与x86处理器不同，对分段的支持并不好，一般只存在分页的概念
操作系统对页表的使用
1. 操作系统在初始化或分配、释放内存时会执行一些指令在物理内存中填写页表，然后用指令设置MMU，告诉MMU页表在物理内存中的什么位置。
2. 设置好之后，CPU每次执行访问内存的指令都会自动引发MMU做查表和地址转换操作，地址转换操作由硬件自动完成，不需要用指令控制MMU去做。
3.2 NUMA
通常认为计算机内存是一种均匀、共享的资源，在忽略硬件高速缓存作用的情况下，期望CPU对内存单元的访问都需要相同的时间，即统一内存架构(Unified Memory Architecture，简称UMA)；然而，在一些体系结构(MIPS等)和SMP中，UMA并不成立，于是引入NUMA
NUMA，Non Uniform Memory Access Achitecture，即非一致性内存访问；在这种模型中，给定CPU对不同内存单元访问的时间可能不一样，系统的物理内存被划分为几个节点(Node)；在一个单独的node中，任一给定CPU访问内存单元所需的时间都是相同的；但是对不同的CPU，这个时间可能不同
更多NUMA内容，参考<Linux的NUMA技术>
3.3 分页机制
MMU的存在使得对内存管理的方式多种多样，在操作系统的课程中，有分区式管理、页式管理、段式管理和段页式管理等方式，现代操作系统在实现时多采用分段和分页的机制，Linux在为了简化对内存的管理，同时兼容不同处理器架构，采用分页机制来实现内存管理
有的CPU采用二级页表结构(如MIPS与x86)，但有些CPU采用三级，甚至四级结构。
Linux为了兼容这些CPU，采用四级页表结构:
- PGD: Page Global Directory 页全局目录, 是顶级页表
- PUD: Page Upper Directory 页上级目录, 是第二级页表
- PMD: Page Middle Derectory 页中间目录, 是第三级页表
- PTE: Page Table Entry 页表, 最后一级页表; 指向物理页面
4. 内存模型
Linux内核支持三种内存模型
- Flat Memory 平坦内存模式，这是最常见的模式
- Discontiguous Memory 非接触式内存模式, 为了支持NUMA
- Sparse Memory 稀疏内存模式, 主要用来支持内存热插拔
Linux内核在管理内存时将物理内存从逻辑上划分为节点(Node)，内存管理区(Zone)，页框(Frame Page)三级结构；物理内存先被划分为Node，每个Node关联一个CPU，各个Node又被划分几个Zone，在一个Zone中则是页框
5. 数据结构
内存管理相关的数据结构包括pg_data_t、zone、page
pg_data_t的主要数据结构
| 域 | 作用 |
| node_zones | 保存该节点所拥有的管理区描述符, DMA、NORMAL、HIGHMEM |
| node_zonelists | 内存管理区的分配策略, 当调用free_area_init_core()时，由build_zonelists()函数设置 |
| nr_zones | node中的zone的数量, 1到3个之间 |
| node_mem_map | node中的第一个page |
| bdata | 仅用于boot 的内存分配 |
| node_start_pfn | pfn是page frame number的缩写, 用于表示node中的开始那个page在物理内存中的位置的 |
| node_present_pages | node中的真正可以使用的page数量 |
| node_spanned_pages | node中所有存在的Page的数量, 包括可用的、mem_map所占用的及dma所占用的区域 |
| node_id | node的NODE ID, 从0开始 |
| kswapd_wait | node的等待队列 |
zone的主要数据结构
| 域 | 作用 |
| lowmem_reserve | 保留的低地址区域的内存 |
| pageset | page管理的数据结构对象, 内部有一个page的列表(list)来管理. 每个CPU维护一个 |
| list | 用于避免自旋锁的冲突, 其大小和NR_CPUS有关, 编译时确定 |
| lock | 对zone并发访问的保护的自旋锁 |
| free_area | 页面使用状态的信息, 以每个bit标识对应的page是否可以分配 |
| pages_scanned | 上次回收page后, 扫描过的page的数量 |
| wait_table | 等待一个page释放的等待队列哈希表. 会被wait_on_page(),unlock_page()函数使用 |
| wait_table_hash_nr_entries | 哈希表中的等待队列的数量 |
| zone_pgdat | 指向这个zone所在的pglist_data对象 |
| zone_start_pfn | 同node_start_pfn, 用于表示zone中的开始那个page在物理内存中的位置 |
| present_pages | 和node中的类似的成员含义一样 |
| spanned_pages | 和node中的类似的成员含义一样 |
page的主要数据结构
| 域 | 作用 |
| flags | 状态的标志信息, 有大量宏用于设置清楚、检测flag成员中的各个位所表示的状态信息 |
| _count | 访问计数. 当为0说明page是空闲的, 大于0说明一个或多个进程使用或者kernel用于在等待I/O |
| index | 根据page的使用的目的有2种可能的含义。第一种情况：如果page是file mapping的一部分，它指明在文件中的偏移。如果page是交换缓存，则它指明在address_space所声明的对象:swapper_space（交换地址空间）中的偏移。第二种情况：如果这个page是一个特殊的进程将要释放的一个page块，则这是一个将要释放的page块的序列值，这个值在__free_page_ok()函数中设置 |
| mapping | 当文件或设备需要内存映射，文件或设备的inode对象有一个address_space类型的成员。如果page属于这个文件或设备，mapping将指向inode中这个成员。如果page不属于任何文件或设备，但是 mapping被设置了，则mapping指向了一个address_space类型的swapper_space对象，则page用于管理交换地址空间(swap address space)了 |
| lru | page交换调度策略使用。page可能被调度到active_list或者inactive_list队列里。就是使用lru这个list_head |
| private | 保存了一些和mapping（文件mapping到内存）有关的一些特定的信息。如果page是一个buffer page,则它就保存了一个指向buffer_head的指针 |
| virtual | 不再用于将high memory的映射到ZONE_NORMAL区域的作用了，除了一些其他的体系结构会用到外 |
6. 进程内存管理
内存管理中MMU的存在使得进程之间相互隔离，进程访问的空间均为虚拟地址空间
Linux中用struct mm_struct来描述一个进程的虚拟地址空间，也通常称为内存描述符
每个进程只有一个mm_struct结构，但可能有多个虚拟内存区间(struct vm_area_struct)，通常用vma表示，不同vma代表着进程空间的各个区域，比如堆、栈、代码区、数据区、各种映射区等等
参考:
<Linux内存模型>
<专栏:Linux内存管理>
<内存管理的那些事儿>