2. Linux 内存管理简介：虚拟内存、物理内存、页表、伙伴系统、slab分配器

在深入内存调试与 kmemleak 泄漏检测之前，必须理解 Linux 内核如何管理内存。本章将拆解从虚拟地址到物理页框的完整路径，并介绍内核分配内存的两大核心机制：伙伴系统与 slab 分配器。这些知识是理解内存泄漏根源的基础。

2.1 虚拟内存与物理内存

Linux 为每个进程提供独立的 虚拟地址空间（Virtual Address Space），使进程误以为自己独占整个内存。虚拟地址通过硬件 MMU（内存管理单元）和内核页表转换为真实的 物理地址（Physical Address）。

2.2 页表与地址转换

Linux 在 x86-64 架构下使用 4 级页表（PGD → PUD → PMD → PTE）。每个进程拥有自己的页表，内核通过 struct mm_struct 管理。页表项（PTE）不仅包含物理页框号，还包含 Present、Dirty、Accessed 等标志位。

// 页表项结构示意（arch/x86/include/asm/pgtable_types.h）
typedef struct { unsigned long pte; } pteval_t;

// 关键标志位
#define _PAGE_PRESENT   (1 << 0)   // 页在物理内存中
#define _PAGE_RW        (1 << 1)   // 可写
#define _PAGE_ACCESSED  (1 << 5)   // 已访问
#define _PAGE_DIRTY     (1 << 6)   // 已脏

2.3 伙伴系统（Buddy System）

伙伴系统是内核管理物理页框的核心算法，用于分配连续的物理内存块。它将空闲页框按 2 的幂次阶（order） 组织成链表，分配时从高阶切分，释放时合并相邻的“伙伴”块。

2.4 slab 分配器

伙伴系统以页框为单位分配，对于内核中大量的小对象（如 task_struct、inode、dentry）效率太低。slab 分配器在伙伴系统之上，为每种对象类型维护一个 缓存（cache），实现对象复用和高速分配。

• slab 缓存：每个缓存管理一种固定大小的对象，如 kmalloc-32、kmalloc-128。
• slab 节点：每个缓存包含多个 slab，每个 slab 由一个或多个连续页框组成。
• 对象着色（coloring）：通过偏移调整对象在 slab 内的起始位置，优化 CPU 缓存行对齐。

// 查看 slab 缓存信息（/proc/slabinfo）
# cat /proc/slabinfo | head -5
slabinfo - version: 2.1
# name            <active_objs> <num_objs> <objsize> <objperslab> <pagesperslab> ...
kmalloc-256         1024   2048    256    16     1
task_struct          512    512   3456     4     4
inode_cache         2048   4096    640    12     2

2.5 内存管理路径总结

从进程申请内存到最终物理页框的完整路径如下：

1. 用户态：malloc() → brk() / mmap() → 内核虚拟内存区域（VMA）
2. 内核态：kmalloc() / vmalloc() → slab 分配器 / 伙伴系统
3. 缺页异常：访问未映射页 → 内核分配物理页框 → 填写页表项
4. 释放：kfree() → slab 回收 → 伙伴系统合并 → 物理页框归还