📚 内存管理专题：6 篇完整路线图

第一篇：启动阶段的内存布局与临时页表

标题：《内存管理-启动篇：从实模式到分页开启的内存布局》
核心内容：

  • BIOS/GRUB 时代的内存布局（1MB 以下区域用途）
  • 内核加载地址（1MB 以上）与链接脚本
  • 临时页表（Identity Mapping） 的构建与作用
  • 如何安全开启分页（CR3 加载 + 刷新 TLB）
  • 启动阶段物理内存探测（Multiboot 信息解析）

✅ 解决："为什么内核要链接在 1MB 以上？"、"分页开启前如何访问高地址？"

第二篇：物理内存管理 —— Buddy 分配器深度解析

标题：《内存管理-物理篇：Buddy 系统 —— 高效管理物理页》
核心内容：

  • 物理内存位图（Bitmap）设计
  • Buddy 算法：分裂与合并的完整实现
  • 多级空闲链表（free_list[0..MAX_ORDER]）
  • 内存区域（Zone）概念（DMA/Normal/HighMem 简化版）
  • 物理内存初始化（bootmem → buddy 迁移）

✅ 解决："如何分配 4KB/2MB/4MB 物理页？"、"Buddy 如何减少外部碎片？"

第三篇：内核内存管理 —— Slab 分配器与 kmalloc

标题：《内存管理-内核篇：Slab 分配器 —— 高效管理内核小对象》
核心内容：

  • 为什么 Buddy 不适合小对象分配？
  • Slab 设计：Cache + Slab + Object 三级结构
  • 对象构造/析构回调（ctor/dtor）
  • 空闲对象内嵌指针（零额外内存开销）
  • 实现 kmalloc/kfree 接口

✅ 解决："如何高效分配 task_struct/file/inode？"、"Slab 如何提升 CPU 缓存命中率？"

第四篇：虚拟内存基础 —— 页表与 VMA

标题：《内存管理-虚拟篇 I：页表操作与虚拟内存区域（VMA）》
核心内容：

  • x86 页表结构（PDE/PTE）与权限位（R/W, U/S, G）
  • 页表操作 API：map_page/unmap_page/get_phys_addr
  • VMA（Virtual Memory Area） 设计：描述进程地址空间
  • 按需分页（Demand Paging）与 Page Fault 处理
  • 进程页目录共享（高半内核映射）

✅ 解决："如何动态映射虚拟地址？"、"VMA 如何管理堆、栈、mmap 区域？"

第五篇：用户态内存管理 —— malloc 与 mmap

标题：《内存管理-用户篇：从 brk 到 malloc —— 用户态内存分配器》
核心内容：

  • brk 系统调用：管理堆顶指针（program break）
  • mmap 系统调用：匿名映射与文件映射
  • 用户态 malloc 实现：
    • 小内存：brk 扩展堆 + 空闲链表
    • 大内存：mmap 匿名映射
  • 内存回收：free 如何合并空闲块？
  • 与内核交互：copy_from_user/copy_to_user

✅ 解决："用户程序如何使用 malloc？"、"brk 和 mmap 有何区别？"

第六篇：高级内存特性 —— CoW、Swapping 与 NUMA

标题：《内存管理-高级篇：写时复制、交换与 NUMA 优化》
核心内容：

  • 写时复制（Copy-on-Write, CoW）：
    • fork 时共享页 + 只读保护
    • Page Fault 触发复制
  • 交换（Swapping）：
    • 交换区（Swap Partition）管理
    • 页面换入/换出机制
  • NUMA 感知分配（可选）：
    • 本地内存优先
    • 节点间内存迁移
  • 内存压缩（zswap）简介

✅ 解决："fork 为何高效？"、"物理内存不足时怎么办？"

🔑 专题设计亮点：

  1. 严格递进：
    启动 → 物理 → 内核 → 虚拟 → 用户 → 高级
    每篇都是下一篇的基础，避免知识断层。

  2. 问题驱动：
    每篇开头明确要解决的核心问题（如 "为什么需要 Slab？"）。

  3. 代码实操：
    每篇包含关键代码片段（Buddy 分裂、Slab 构造、VMA 查找等）。

  4. 对比工业级实现：
    每篇结尾对比 Linux 实现（如 kmalloc vs slab/slub）。

  5. 避坑指南：
    强调常见陷阱（如 TLB 刷新、物理/虚拟地址混淆）。