为什么你说不清楚内存管理

说到内存管理，你的脑海里有很多东西，但都比较碎片，段，页，malloc，虚拟内存，LRU各种东西在脑海中乱跳，但是让你说说，又说不清楚。那是因为你说的内存和你认为的内存可能是不同的东西。在不同维度上的内存，有不同的管理方式。从维度上内存分为：物理内存，内核内存，虚拟内存，进程内存。

物理内存管理：管理物理内存页的分配与释放，常用的方法有位图和链表。位图用于记录其伙伴是否位于队列中。
为什么是页：
连续分配
1） 固定分区分配，内部碎片
2） 动态分区分配，外部碎片
3） 可重定位分区分配，调整开销大
离散分配
分页：通过地址转换，讲逻辑上连续的地址大散，减少内存碎片
通过向量表分配和回收物理页。

内核内存管理：物理内存管理无法满足内核对内存的需求（不参与交换，使用时间短，动态分配和回收，尺寸小）。Slab分配器（基本概念是Cache和Slab）
Cache管理一组Slab，Slab管理一组大小相同的内存块。通过Slab与物理内存交互。
向对应的catch申请内存块，如果该catch没有slab或者slab中没有空闲的对象，创建行的slab并添加到catch的slab链表中。在slab列表中查找空闲对象，找到并分配。

虚拟内存管理：
Linux采用三级页表结构，
（虚拟内存的好处：大地址空间，进程保护，内存映射，虚拟共享，多进程同时驻留内存，运行时重定位，机器无关代码）。
地址映射，缺页中断，访问控制，页面交换。
地址映射：段页式管理，多级页表，MM，块表
缺页中断：虚拟地址中只有部分也映射了物理页，当访问没有映射物理页的虚拟地址时，会发生缺页中断，将磁盘中的内容调入到内存空闲页中，更新页表建立虚拟内存到物理内存的映射。物理内存时有限的，当没有空闲页的时候，需要将页面换出，腾出空闲。所以有页面替换算：FIFO，LRU，OPT，CLOCL

进程内存管理：
动态内存管理，malloc再虚拟内存中分配，底层使用mmap和brk系统调用。分配大内存块的（大于128k）时，使用mmap在堆和用户栈之间找一段空闲虚拟内存。Brk提升brk指针增加堆内存。
被释放的堆内存为空闲内存，空闲内存通过空闲链表组织管理，可在请求内存时找到合适的空闲内存分配。空闲内存的分割会产生内存碎片，合并内存可以缓解内存碎片问题。在空闲链表上搜索合适的空闲块有不同的策略：首次适配，下一次适配，最佳适配。
优缺点对比：
策略 利用率 查找效率
首次适配 高 底
下一次适配 低 高
最佳适配 最高 最低

简单的隐式空闲链表和双向空闲链表查找空闲块都是线下关系的。使用分离的空闲链表，通过维护多个空闲链表，每个链表中的块的大致相等，避免对全部空闲块进行搜索，提高效率。
伙伴系统是其中的一个特例，每个链表中块的大小都是2的k次幂。分配时，递归二分块，每次讲剩下的半块（也叫伙伴）放到相应的空闲链表找那个。释放时，查找其伙伴是否空闲，如果空闲就合并，合并后继续合并，知道某个遇到一个已分配的伙伴时，停止合并。（快速搜索和快速合并，可能导致显著的内存碎片）