Linux内核管理系统的物理内存是通过一系列精密而复杂的机制来实现的。内核物理内存管理的主要目的是为系统的用户空间进程、内核进程以及为内核自身提供足够和高效的内存资源，同时还要确保数据安全和快速访问。

物理内存和虚拟内存

Linux内核通过虚拟内存管理系统来映射物理内存地址到虚拟地址。每个进程都拥有一个连续的虚拟地址空间，这个空间是通过分页机制映射到物理内存上的，分页机制隐藏了物理内存的实际复杂性。物理内存被划分为一系列的页面（通常大小是4KB），这些页面可以被映射到任意进程的虚拟地址空间中，也可以被共享或交换到磁盘上。

内存页面

Linux内核将物理内存分割为一个个固定大小的单元，称为页面（page）。页面的大小在x86架构上默认是4KB。内核维护了一个页面映射表（Page Table），用于追踪每个页面的状态以及它们的使用情况。

细分物理内存

物理内存被细分为几个不同区域：

• DMA区域（Direct Memory Access）：支持旧设备直接访问的内存区域，这些设备不能通过总线访问高端内存。
• 常规内存区域（Regular Memory）：这部分内存可被绝大部分设备直接访问。
• 高端内存区域：仅限于在32位系统上存在，它超出了平均硬件能够直接索引的内存界限。

内存管理子系统

Linux内存管理子系统包含几个关键组件：

• 内存分配器：用于管理内存请求和释放的内存分配。
• 页替换算法：当系统的内存被完全使用时，决定哪些页面应该被替换出去。
• 缓冲区和缓存：为了优化磁盘I/O操作，内核维持一个页面缓存，用于存储常用数据并减少读写磁盘的次数。
• 启用大页面的支持：特性如透明大页面（Transparent HugePages）可提高访问大块连续物理内存的效率。

Slob、Slab、Slub分配器

内核为了更有效地分配小块内存，实现了几个不同的物理内存分配器：

• Slob分配器：适用于内存有限的系统，它会尽量少地浪费内存。
• Slab分配器：通过缓存常用对象来提高性能，适用于服务器和高性能系统。
• Slub分配器：是一种更为现代且高效的分配器，它简化了Slab的设计，并减少了内存碎片问题。

内存压力和OOM

当系统物理内存不足的时候，内核可能会触发OutOfMemory（OOM）杀手，选择并终止占用内存较多的进程来释放内存资源。

调优和监控

为了获取最佳性能，内核提供了众多的调优参数，如 vm.swappiness、vm.dirty_ratio，通过 /proc和 /sys文件系统暴露给系统管理员。同时，dmesg和其他监控工具如 free、vmstat、top可以帮助监控当前的内存使用情况。

回顾物理内存管理，可以看到Linux内核通过一系列的机制与算法来维持系统的稳健和性能。从页面按需分配，到内存碎片整理，再到内存压力处理，都展示了Linux在内存管理上的灵活性和先进技术。透过不断地创新和优化，Linux内核继续提供强大的支持，以满足日益增长的计算需求。

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