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Linux内核内存管理系列博客教程学习规划

ds 2025/9/2 5:49:12

📚 系列总体目标

帮助读者系统理解Linux内核内存管理机制，从基础概念到核心实现，最终能参与内核内存相关开发。

📅 系列大纲（共20篇博文）

第一部分：基础概念篇（4篇）

Linux内存管理概述
- 内存管理在内核中的位置和作用
- 物理内存 vs 虚拟内存
- 内核空间 vs 用户空间内存布局
硬件基础：MMU、TLB与内存架构
- x86/ARM内存管理单元工作原理
- 页表机制和多级页表
- TLB工作原理和优化
Linux内存地址空间布局
- 内核地址空间布局（直接映射、vmalloc区等）
- 用户进程地址空间布局
- 32位与64位系统的差异
内核内存分配器概述
- 伙伴系统（Buddy System）
- SLAB/SLUB/SLOB分配器
- per-CPU缓存机制

第二部分：核心机制篇（8篇）

物理内存管理：伙伴系统深入分析
- 内存区域（ZONE_DMA, ZONE_NORMAL, ZONE_HIGHMEM）
- 页框分配与回收算法
- 碎片化问题与解决方案
SLAB分配器原理与实现
- 对象缓存机制
- slab、slub、slob三种实现对比
- 内核对象生命周期管理
页表管理机制
- 多级页表遍历过程
- 页表项格式和权限控制
- TLB刷新机制
虚拟内存管理：vm_area_struct
- 进程内存区域管理
- 缺页异常处理流程
- 写时复制（Copy-on-Write）机制
内存映射机制
- mmap系统调用实现
- 文件映射与匿名映射
- 反向映射（Reverse Mapping）机制
页面回收与交换机制
- LRU算法在内核中的实现
- 页面换出（swap out）流程
- 内存压力处理机制
内存压缩与透明大页
- zswap、zram压缩机制
- 透明大页（THP）实现原理
- 内存压缩算法比较
内存控制组（cgroups）机制
- memory cgroup的实现原理
- 内存限制与统计机制
- OOM killer工作机制

第三部分：高级专题篇（5篇）

DMA与一致性内存映射
- DMA映射机制
- 一致性DMA缓冲区管理
- IOMMU与SMMU技术
内存屏障与并发控制
- 内存一致性模型
- 各种内存屏障的作用和使用场景
- RCU在内存管理中的应用
内存调试与检测工具
- kmemleak内存泄漏检测
- kasan内存越界检测
- 其他调试工具（slub_debug, page_owner等）
NUMA架构内存管理
- NUMA架构特点
- 节点亲和性调度
- 跨节点内存访问优化
新型内存技术支持
- 持久化内存（PMEM）管理
- 异构内存管理
- CXL内存技术初探

第四部分：实践应用篇（3篇）

内核内存分配API实战

kmalloc、vmalloc、kzalloc等函数区别
内存分配标志位详解
最佳实践和常见陷阱

自定义内存分配器开发

实现简单的内存池
专用对象缓存创建
性能测试与优化

内核内存问题调试实战

内存泄漏调试案例
内存损坏问题定位
性能优化实战

🛠️ 实践环境搭建建议

开发环境：

# 推荐配置
Ubuntu 20.04/22.04 LTS
GCC 9+、GDB、QEMU
内核版本：5.10+ LTS版本# 内核编译配置
make defconfig
make menuconfig  # 启用内存调试选项

实验工具：

# 必备工具
sudo apt-get install build-essential libncurses-dev flex bison libssl-dev
sudo apt-get install qemu-system-x86 libelf-dev# 调试工具
sudo apt-get install crash util-linux linux-tools-common