内存管理
一、malloc的底层实现
Malloc函数用于动态分配内存。为了减少内存碎片和系统调用的开销，malloc其采用内存池的方式，先申请大块内存作为堆区，然后将堆区分为多个内存块，以块作为内存管理的基本单位。当用户申请内存时，直接从堆区分配一块合适的空闲块。Malloc采用隐式链表结构将堆区分成连续的、大小不一的块，包含已分配块和未分配块；同时malloc采用显示链表结构来管理所有的空闲块，即使用一个双向链表将空闲块连接起来，每一个空闲块记录了一个连续的、未分配的地址。当进行内存分配时，Malloc会通过隐式链表遍历所有的空闲块，选择满足要求的块进行分配；当进行内存合并时，malloc采用边界标记法，根据每个块的前后块是否已经分配来决定是否进行块合并。
1）当开辟的空间小于 128K 时，调用 brk（）函数，malloc 的底层实现是系统调用函数 brk（），其主要移动指针 _enddata(此时的 _enddata 指的是 Linux 地址空间中堆段的末尾地址，不是数据段的末尾地址)。
- malloc分配了这块内存，然后如果从不去访问它，那么物理页是不会被分配的。
- 当最高地址空间的空闲内存超过128K（可由M_TRIM_THRESHOLD选项调节）时，执行内存紧缩操作
2）当开辟的空间大于 128K 时，mmap（）系统调用函数来在虚拟地址空间中（堆和栈中间，称为“文件映射区域”的地方）找一块空间来开辟。
malloc的实现与物理内存自然是无关的，内核为每个进程维护一张页表，页表存储进程空间内每页的虚拟地址，页表项中有的虚拟内存页对应着某个物理内存页面，也有的虚拟内存页没有实际的物理页面对应。无论malloc通过sbrk还是mmap实现，分配到的内存只是虚拟内存，而且只是虚拟内存的页号，代表这块空间进程可以用，实际上还没有分配到实际的物理页面。等进程访问到这个新分配的内存空间的时候，如果其还没有对应的物理页面分配，就会产生缺页中断，内核这个时候会给进程分配实际的物理页面，以与这个未被映射的虚拟页面对应起来。所有刚被分配的内存在第一次read的时候，page-fault会将其映射到了同一个全零页面，你读它时读的就是那个页面，你写它时会发生写时拷贝。
二、全零页面（零页内存）的作用
系统初始化过程中分配了一页的内存，大小为一页，页对齐到ｂｓｓ段，所有这段数据内核初始化的时候会被清零，所有称之为０页。作用为一个是它的数据都是被０填充，读的时候数据都是０，二是节约内存，匿名页面第一次读的时候数据都是０都会映射到这页中从而节约内存(共享０页)，那么如果有进程要去写这个这个页会发生写时复制，重新分配页来写。对于匿名映射，映射完成之后，只是获得了一块虚拟内存，并没有分配物理内存，当第一次访问的时候：如果是读访问，会将虚拟页映射到０页，以减少不必要的内存分配；如果是写访问，则会分配新的物理页，并用０填充，然后映射到虚拟页上去。
三、文件页和匿名页
匿名页主要用于进程地址空间的堆、栈、还有私有匿名共享内存(用于有亲属关系的进程)，这些匿名页所属的线性区叫做匿名线性区，这些线性区只映射内存，不映射具体磁盘上的文件。
与匿名页相对应的是文件页，文件页我们应该很好理解，就是映射文件的页，如：通过mmap映射文件到虚拟内存然后读文件数据,进程的代码数据段等，这些页有后备缓存也就是块设备上的文件，而匿名页就是没有关联到文件的页，如：进程的堆、栈等。应用程序动态分配的堆内存，也就是在内存管理中说到的匿名页（Anonymous Page），它们很可能还要再次被访问啊，不能直接回收，这些内存自然不能直接释放。但是，如果这些内存在分配后很少被访问，似乎也是一种资源浪费。
四、swap分区与匿名页
swap 分区通常被称为交换分区，这是一块特殊的硬盘空间，即当实际内存不够用的时候，操作系统会从内存中取出一部分暂时不用的数据，放在交换分区中，从而为当前运行的程序腾出足够的内存空间。具体使用多大的 swap 分区，取决于物理内存大小和硬盘的容量。一般来讲，swap 分区容量应大于物理内存大小，建议是内存的两倍，但不超过 2GB。Swap分区的数量对性能也有很大的影响。因为Swap交换的操作是磁盘IO的操作，如果有多个Swap交换区，Swap空间的分配会以轮流的方式操作于所有的Swap，这样会大大均衡IO的负载，加快Swap交换的速度。如果只有一个交换区，所有的交换操作会使交换区变得很忙，使系统大多数时间处于等待状态，效率很低。
使用 swap 交换分区，显著的优点是，通过操作系统的调度，应用程序实际可以使用的内存空间将远远超过系统的物理内存。由于硬盘空间的价格远比 RAM 要低，因此这种方式无疑是经济实惠的。当然，频繁地读写硬盘，会显著降低操作系统的运行速率，这也是使用 swap 交换分区最大的限制。
并不是所有从物理内存中交换出来的数据都会被放到Swap中(如果这样的话，Swap就会不堪重负)，有相当一部分数据被直接交换到文件系统。例如，有的程序会打开一些文件，对文件进行读写(其实每个程序都至少要打开一个文件，那就是运行程序本身)，当需要将这些程序的内存空间交换出去时，就没有必要将文件部分的数据放到Swap空间中了，而可以直接将其放到文件里去。如果是读文件操作，那么内存数据被直接释放，不需要交换出来，因为下次需要时，可直接从文件系统恢复；如果是写文件，只需要将变化的数据保存到文件中，以便恢复。但是那些用malloc和new函数生成的对象的数据则不同，它们需要Swap空间，因为它们在文件系统中没有相应的“储备”文件，因此被称作“匿名”(Anonymous)内存数据。这类数据还包括堆栈中的一些状态和变量数据等。所以说，Swap空间是“匿名”数据的交换空间。
五、内核地址空间和用户地址空间
现代操作系统一般都将运行空间划分为两个，用户空间和内核空间。不同的空间，拥有自己的内存地址范围，在32位操作系统中，一般将最高的1G字节划分为内核空间，供内核使用，而将较低的3G字节划分为用户空间，供各个进程使用。
- 内核空间中存放的是内核代码和数据，而进程的用户空间中存放的是用户程序的代码和数据。
- 进程在运行的时候，在内核空间和用户空间各有一个堆栈。
- 用户空间中，每个进程的用户空间是互相独立的，互不相干。运行在用户空间时，进程使用的是用户空间中的堆栈；而运行在内核空间时，进程使用的是内核空间中的堆栈。
- 内核空间中，绝大部分是共享的，并不是完全共享，因为内核空间中，不同进程的内核栈之间是不共享的。
内核空间表示运行在处理器最高级别的超级用户模式（supervisor mode）下的代码或数据，内核空间占用从0xC0000000到0xFFFFFFFF的1GB线性地址空间，内核线性地址空间由所有进程共享，但只有运行在内核态的进程才能访问，用户进程可以通过系统调用切换到内核态访问内核空间，进程运行在内核态时所产生的地址都属于内核空间。由于内核态空间与用户态空间采用了不同的映射机制，虽然内核态只有1GB的虚拟地址空间，但是它可以访问所有的物理内存地址。
直接映射区的作用是为了保证能够申请到物理地址上连续的内存区域，因为动态映射区，会产生内存碎片，导致系统启动一段时间后，想要成功申请到大量的连续的物理内存，非常困难，但是动态映射区带来了很高的灵活性(比如动态建立映射，缺页时才去加载物理页)。896MB的直接映射区域又可以细分为ZONE_DMA和ZONE_NORMAL区域。如图所示x86架构中将内核地址空间划分三部分：ZONE_DMA、ZONE_NORMAL 和 ZONE_HIGHMEM。ZONE_HIGHMEM即为高端内存，这就是内存高端内存概念的由来。在x86结构中，三种类型的区域（从3G开始计算）如下：
ZONE_DMA 内存开始的16MB，线性区域。从该区域分配内存不会触发页表操作来建立映射关系。
ZONE_NORMAL 16MB~896MB，线性区域。从该区域分配内存不会触发页表操作来建立映射关系。
ZONE_HIGHMEM 896MB ~ 结束（1G），采用动态的分配方式。128M虚拟地址空间可以动态映射到(X-896)M(其中X位物理内存大小)的物理内存，从该区域分配内存需要更新页表来建立映射关系，vmalloc就是从该区域申请内存，所以分配速度较慢。
六、slab
kmalloc基于slab实现的，slab是为分配小内存提供的一种高效机制(slab会把page再细分成更小的颗粒)，