Linux-3.14.12内存管理笔记【构建内存管理框架（3）】：深入探讨Linux内存管理的实现与优化
在前面两篇文章中，我们已经介绍了Linux内核的基本结构和内存管理的原理。今天，我们将继续深入探讨这个话题，并着重分析一下如何构建一个高效、稳定且可靠的内存管理框架。
第一，我们需要明确一个概念：虚拟地址空间。虚拟地址空间是指每个进程所独有的地址范围，在这个范围里面可以进行读写操作。但是这些操作并不直接映射到物理硬件上，而是通过页表来转换成物理地址。
那么，在Linux系统中，如何实现对虚拟地址空间的有效管理呢？答案就是使用页表机制。
在x86平台上，页表被组织成多级结构。最顶层由一个Page Global Directory（PGD）组成；第二层由若干个Page Middle Directories（PMDs）组成；第三层则由若干个Page Tables（PTs）组成。
当进程需要读写某一页时，CPU会根据该页在虚拟地址空间中所处位置计算出相应的PGD、PMD和PT，然后将这些表项通过地址转换映射到物理内存上。
在Linux-3.14.12中，内存管理的主要数据结构包括：pgd_t、pmd_t和pte_t。其中，pgd_t表示PGD；pmd_t表示PMD；pte_t则表示PT。这些结构体定义了页表所需的各种信息，如标志位、虚拟地址范围等。
除此之外，在Linux系统中还有一个叫做Page Frame Number（PFN）的概念。PFN用于记录物理页面的编号，并且在页表项中用来指向对应的物理页面。
接下来，让我们看一下具体如何实现分配和释放内存空间：
1. 内存分配
当进程需要申请一块新的内存空间时，它会调用malloc()函数或者kmalloc()函数。这两个函数都是由C库提供的API接口，在使用时非常方便。
但是，在Linux系统中还有一个更底层的API接口——buddy system算法。该算法能够有效地解决碎片问题，并且可以高效地处理大量连续性请求。
2. 内存释放
当进程不再需要某段内存空间时，则需要将其释放回操作系统以供其他进程使用。此时可以调用free()函数或kfree()函数进行操作。
不过，在实际场景中往往需要处理大量的小块内存，这时使用buddy system算法可能更加高效。
最后，让我们来看一下如何进行内存映射和解除映射：
1. 内存映射
当进程需要将某个文件或设备映射到其虚拟地址空间中时，则可以调用mmap()函数。该函数会返回一个指向新分配页面所在位置的指针，并且通过页表机制将这些页面与对应的物理页面关联起来。
2. 解除内存映射
当进程不再需要某段虚拟地址空间与物理页面之间的关联时，则可以调用munmap()函数。该函数会释放掉对应的所有页面，并且撤销相关的页表项。
总结：Linux-3.14.12内核提供了完善而强大的内存管理框架，使得开发人员能够快速、高效地进行各种操作。但是，在实际场景中还有很多细节问题需要考虑，比如碎片问题、优化策略等等。只有深入研究并不断优化才能构建出真正稳定、可靠且高性能的系统。
