摘要：物理内存布局：启动时探测：系统启动时，通过BIOS/UEFI或设备树（Device Tree）获取物理内存的总大小和布局（例如，哪些地址范围被保留给硬件设备，即“内存映射I/O”）。节点（Node）、区域（Zone）：Linux将物理内存划分为不同的节点（用于
这是内存管理的基石，决定了系统如何看待和使用内存。
物理内存布局：启动时探测： 系统启动时，通过BIOS/UEFI或设备树（Device Tree）获取物理内存的总大小和布局（例如，哪些地址范围被保留给硬件设备，即“内存映射I/O”）。节点（Node）、区域（Zone）： Linux将物理内存划分为不同的节点（用于NUMA架构，每个CPU有本地内存）和不同的区域（Zones）。ZONE_DMA: 用于直接内存访问（DMA）的设备，因为有些老设备只能访问16MB以下的内存。ZONE_DMA32: 用于只能访问4GB以下内存的64位设备。ZONE_NORMAL: 内核可直接映射的“普通”内存区域（在x86_64上，通常是所有内存）。ZONE_HIGHMEM: （在32位系统上）内核无法直接映射的物理内存，现已较少使用。伙伴系统（Buddy System）： 使用这种算法来管理这些物理页帧（Page Frame），它以页（通常4KB）为单位，负责物理内存的分配和回收，致力于减少内存碎片。虚拟内存布局：划分地址空间： 将每个进程的4GB（32位）或128TB（64位）的虚拟地址空间划分为内核空间和用户空间。用户空间： 每个进程独有，存放其代码、堆、栈、库等。内核空间： 所有进程共享（但大部分区域受保护，用户进程无法访问），存放内核代码、数据结构、设备驱动等。进程通过系统调用陷入内核态时，才会访问内核空间。这是实现虚拟内存的核心机制，负责将“虚拟地址”翻译成“物理地址”。
页表（Page Table）结构： 一个多级树状数据结构（如x86_64上的4级页表：PGD -> P4D -> PUD -> PMD -> PT）。它逐级向下索引，最终找到对应的物理页帧号（PFN）。地址转换过程（MMU）： 当CPU执行一个内存访问指令时，给出的是一个虚拟地址。内存管理单元（MMU） 硬件会自动查询当前进程的页表（通过CR3寄存器找到页表基址）来完成翻译。如果找不到有效的映射，则会产生一个页错误（Page Fault）。翻译后备缓冲区（TLB）： 为了加速翻译过程，CPU内部有一个缓存，叫做TLB，用于存放最近使用过的虚拟地址到物理地址的映射。内存保护是操作系统稳定性和安全性的关键。
页表项（PTE）中的权限位：读/写（Read/Write）： 控制一个页是可读还是可读写。执行（Execute）： 控制一个页的代码是否可以被CPU执行（配合CPU的NX/XD功能，防止数据区代码执行，抵御病毒攻击）。用户/超级用户（User/Supervisor）： 控制一个页是否可以被运行在用户态（Ring 3）的代码访问。内核空间的页通常被标记为Supervisor，阻止用户程序非法访问。实现隔离：进程隔离： 每个进程有自己独立的页表，因此进程A的虚拟地址无法访问到进程B的物理内存。这是最基本的内存保护。内核态与用户态隔离： 通过User/Supervisor位，确保用户程序无法随意访问或修改内核数据，必须通过严格的系统调用接口。这是在上述基础设施之上，为内核和应用程序提供动态获取内存的接口。
内核层：物理页分配器： 核心是伙伴系统（Buddy System），负责以页（4KB） 为单位分配和释放连续的物理内存。它解决了外部碎片问题。** slab/slub/slob 分配器：** 构建在伙伴系统之上，用于高效分配小块内存（如任务结构体task_struct、索引节点inode等内核对象）。它通过对象缓存和池化技术，极大地减少了内部碎片和分配延迟。用户层：C库内存分配器（如glibc的malloc）： 这是应用程序开发者最常打交道的接口。malloc/free等函数并不是直接调用内核，而是由C库管理。系统调用接口： C库的内存分配器最终在需要更多内存时，会通过以下系统调用来向内核申请：brk / sbrk: 调整堆（heap） 的大小。mmap: 更强大的调用，可以创建匿名映射（用于大块内存分配）或文件映射，也可以在进程地址空间中任意空闲位置创建新的内存区域（如用于加载动态库）。规划布局（基础） -> 2. 建立映射（核心机制） -> 3. 施加保护（安全措施） -> 4. 提供服务（上层接口）。来源：小唐科技频道
