Linux中內存管理子系統使用節點（node）、區域（zone）和頁（page）三級結構描述物理內存。

1、內存節點

內存節點分兩種情況：UMA和NUMA。

從管理內存的方法上區分，計算機可以分為兩種類型：UMA和NUMA。

UMA：一致性內存訪問，uniform memory access

NUMA：非一致性內存訪問，non-uniform memory access

兩種類型示意圖：

對UMA來說，每一個CPU訪問的都是同一塊內存，因此各CPU對內存的訪問不存在性能差異。

對NUMA來說，各內存和各CPU通過總線連在一起，每個CPU都有一個本地內存，訪問速度快，CPU也可以訪問其他CPU的本地內存，但速度稍慢。

Linux為了統一這兩種平臺，在內存組織中，將最高層次定義為內存節點。

可以看到，圖中UMA只有一個內存節點，而NUMA有兩個內存節點。

實際上，UMA其實是NUMA的一個特例，所以內核可以將內存都看做NUMA類型的。

2、區域

每個內存節點都劃分為多個區，Linux內核中定義了以下幾個區：

include/linux/mmzone.h

enum zone_type{
#ifdef CONFIG_ZONE_DMA
ZONE_DMA,
#endif
#ifdefi CONFIG_ZONE_DMA32
ZONE_DMA32,
#endif
ZONE_NORMAL,
#ifdef CONFIG_HIGHMEM
ZONE_HIGHMEM,
#endif
ZONE_MOVABLE,
#ifdef CONFIG_ZONE_DEVICE
ZONE_DEVICE,
#endif
__MAX_NR_ZONES
};

ZONE_DMA

DMA是“Direct Memory Access”的縮寫，直接內存訪問。

該區域用于ISA設備的DMA操作，范圍是0-16MB。

如果有些設備不能直接訪問所有內存，則需要使用DMA區域。例如舊的工業標準體系結構（Industry Standard Architecture, ISA）總線只能直接訪問16MB以下的內存。

只適用于Intel x86架構，ARM架構沒有這個內存管理區。

ZONE_DMA32

在64位的系統上使用32位地址尋址的適合DMA操作的內存區。

例如在AMD64系統上，該區域為低4GB的空間。在32位系統上，本區域通常是空的。

ZONE_NORMAL

常規內存區，指的是可以直接映射到內核空間的內存。

也常稱為“普通區域”“直接映射區域”“線性映射區域”。

所謂線性映射就是物理地址和映射后的虛擬地址存在一種簡單的關系，即虛擬地址=物理地址+固定偏移。

在32位系統上，內核空間和用戶空間按1:3劃分，那么這個固定偏移就是：0xC0000000 - 物理內存起始地址。

既然存在一種線性關系，那還需要使用頁表對物理地址和虛擬地址做映射嗎？

不同處理器架構實現不一樣，ARM需要使用頁表映射，MIPS則不需要。

ZONE_HIGHMEM

高端內存區，32位時代的產物。在32位系統上，指的是高于896M的物理內存。

32位系統中，內核和用戶地址空間按1:3劃分，內核地址空間只有1GB，所以不能把1GB以上的內存直接映射到內核地址空間，因此就把不能直接映射的內存劃分到了高端內存區。

要將高于896MB的物理內存映射在內核空間的話，需要通過單獨的映射來完成，并且這類映射不能保證物理地址和虛擬地址之間存在固定的對應關系（例如ZONE_NORMAL的固定偏移）。

ZONE_DMA、ZONE_DMA32、ZONE_NORMAL通常都統稱為低端內存區。

64位系統中沒有這個區域，即沒有高端內存。因為64系統的內核虛擬地址空間非常大，不再需要高端內存區域。

ZONE_MOVABLE

一個偽內存區，用來防止內存碎片。

ZONE_DEVICE

為支持持久內存（persistent memory）熱拔插增加的內存區域。

3、頁

站在處理器的角度來看，管理物理內存的最小單位是頁面。

現在的處理器都采用分頁機制來管理內存，在處理器內部有一個MMU硬件，它會處理虛擬內存到物理內存的映射，也就是做頁表的翻譯工作。

Linux內核中使用一個page數據結構來描述一個物理頁面。

頁的大小通常是4KB，但有個的架構的處理器可以支持大于4KB的頁，例如8KB、16KB或者64KB的頁。

目前Linux內核默認使用4KB的頁面。

所以，Linux內核的用三級結構來管理物理內存，簡言之就是內存首先劃分成若干個大的節點，每個節點又包含若干個區，每個區有包含若干頁。Linux內核按頁管理內存，最基本的內存分配和釋放都是按頁進行的。

審核編輯：劉清