4. 内存管理基础：页表、虚拟地址空间、伙伴系统与slab分配器
内存管理，说白了就是操作系统怎么管好这块「地皮」。我做了这么多年嵌入式，见过太多因为内存管理不当导致的系统崩溃。嗯，今天咱们就把这块硬骨头啃下来。
4.1 虚拟地址空间——给每个进程一个「假象」
你想想看，如果所有程序都直接操作物理内存，那得多乱？A程序不小心写到了B程序的地盘，整个系统就挂了。所以，我们给每个进程一个「虚拟地址空间」。
在32位系统里，这个空间是4GB。内核占1GB，用户空间占3GB。64位系统就更大了，几乎用不完。
核心概念：虚拟地址是假的，物理地址是真的。中间靠页表来映射。
我在项目中遇到过一个问题：一个嵌入式设备只有64MB内存，但跑的应用却需要128MB。怎么办？靠虚拟内存！把不常用的数据换到Flash上，用的时候再换回来。这就是虚拟地址空间的威力。
4.2 页表——地址翻译的「字典」
页表就是一本字典。CPU拿到一个虚拟地址，查页表，找到对应的物理地址。这个过程叫「地址翻译」。
页表的基本单位是「页」。通常是4KB大小。为什么是4KB？嗯，这是个历史遗留问题，但实践证明这个大小挺合适。
// 页表项的结构（简化版）
struct page_table_entry {
unsigned long present : 1; // 页面是否在内存中
unsigned long rw : 1; // 读写权限
unsigned long user : 1; // 用户态是否可访问
unsigned long pfn : 20; // 物理页帧号
};多级页表是个好东西。32位系统用两级页表，64位系统用四级甚至五级。为什么？因为如果只用一级页表，那得存100多万个条目，太浪费了。
我的习惯：调试页表问题时，先检查「present」位。如果这个位没置上，CPU就会触发缺页异常。我曾经花了两天时间，才发现是页表项没初始化。
4.3 伙伴系统——大块内存的「分分合合」
伙伴系统是内核用来管理物理内存的算法。它的核心思想很简单：把内存分成2的幂次方大小的块。
比如，你有64KB内存。先分成两个32KB的块。再分，变成四个16KB的块。以此类推。分配时，找大小最合适的块。释放时，看看旁边的「伙伴」是不是也空闲，是的话就合并。
| 阶数 | 块大小 | 最大块数 |
|---|---|---|
| 0 | 4KB | 16 |
| 1 | 8KB | 8 |
| 2 | 16KB | 4 |
| 3 | 32KB | 2 |
| 4 | 64KB | 1 |
我曾经在一个路由器项目里，发现内存碎片化严重。系统跑几天后，明明还有几十MB空闲，但就是分配不出一个8KB的块。原因就是伙伴系统没做好合并。后来加了定时内存整理，问题才解决。
注意：伙伴系统只适合分配大块内存（至少一个页）。小块内存用slab分配器更合适。
4.4 Slab分配器——小块内存的「精打细算」
内核里经常要分配几十字节的小对象，比如进程描述符、文件节点。如果用伙伴系统，一个4KB的页只放一个对象，太浪费了。Slab分配器就是解决这个问题的。
Slab的原理：先向伙伴系统申请一个或多个页，然后切成多个大小相同的对象。每个对象正好放一个数据结构。
// Slab缓存创建示例
struct kmem_cache *my_cache;
my_cache = kmem_cache_create("my_object",
sizeof(struct my_object),
0, 0, NULL);
// 从缓存中分配对象
struct my_object *obj;
obj = kmem_cache_alloc(my_cache, GFP_KERNEL);
// 使用完后释放
kmem_cache_free(my_cache, obj);你想想看，如果每次创建进程都去伙伴系统申请一个页，那得慢成什么样？Slab分配器提前把对象准备好，用的时候直接拿，速度飞快。
关键点：Slab分配器有三种状态：满、半满、空。分配时优先从半满的slab里取，避免浪费。
我记得有一次优化一个网络驱动，发现sk_buff（网络缓冲区）的分配特别慢。后来改用slab缓存，性能提升了30%。嗯，这就是slab的威力。
4.5 它们怎么配合工作？
说白了，这三者的关系是这样的：
- 虚拟地址空间：给进程一个「假象」，让它以为独占内存。
- 页表：负责把虚拟地址翻译成物理地址。
- 伙伴系统：管理物理内存的大块分配。
- Slab分配器：在伙伴系统的基础上，管理小块内存。
举个例子：你调用malloc(100)，glibc会从堆里分配。如果堆不够，就通过brk()系统调用向内核申请。内核用slab分配器（或者直接伙伴系统）分配物理页，然后更新页表，把虚拟地址映射到物理地址。整个过程一气呵成。
避坑指南：我曾经在调试一个内存泄漏问题时，发现slab缓存里的对象越来越多，但伙伴系统的空闲页却没减少。后来才明白，slab释放对象时，页面不一定还给伙伴系统，而是留在缓存里备用。所以看内存占用，不能只看伙伴系统。
4.6 小结
内存管理是操作系统的核心。页表、虚拟地址空间、伙伴系统、slab分配器，这四个东西缺一不可。你想想看，没有虚拟地址空间，进程之间怎么隔离？没有伙伴系统，大块内存怎么分配？没有slab，小块内存怎么高效管理？
嗯，这一章的内容就到这儿。下一章咱们聊聊文件系统的核心——VFS（虚拟文件系统）。到时候你会发现，内存管理的这些知识，在文件系统里也会用到。