內存管理子系統可能是linux內核中最為復雜的一個子系統，其支持的功能需求眾多，如頁面映射、頁面分配、頁面回收、頁面交換、冷熱頁面、緊急頁面、頁面碎片管理、頁面緩存、頁面統計等，而且對性能也有很高的要求。本文從內存管理硬件架構、地址空間劃分和內存管理軟件架構三個方面入手，嘗試對內存管理的軟硬件架構做一些宏觀上的分析總結。
內存管理硬件架構
因為內存管理是內核最為核心的一個功能，針對內存管理性能優化，除了軟件優化，硬件架構也做了很多的優化設計。下圖是一個目前主流處理器上的存儲器層次結構設計方案。
從圖中可以看出，對于讀寫內存，硬件設計了3條優化路徑。
1）首先L1 cache支持虛擬地址尋址，保證CPU出來的虛擬地址（VA）不需要轉換成物理地址（PA）就可以用來直接查找L1 cache，提高cache查找效率。當然用VA查找cache，有安全等缺陷，這需要CPU做一些特別的設計來進行彌補，具體可以閱讀《計算機體系結構：量化研究方法》了解相關細節。
2）如果L1 cache沒有命中，這就需要進行地址轉換，把VA轉換成PA。linux的內存映射管理是通過頁表來實現的，但是頁表是放在內存中的，如果每次地址轉換過程都需要訪問一次內存，其效率是十分低下的。這里CPU通過TLB硬件單元來加速地址轉換。
3）獲得PA后，在L2 cache中再查找緩存數據。L2 cache一般比L1 cache大一個數量級，其查找命中率也更高。如果命中獲得數據，則可避免去訪問內存，提高訪問效率。
可見，為了優化內存訪問效率，現代處理器引入多級cache、TLB等硬件模塊（如下圖是一款8核MIPS處理器硬件框圖）。每個硬件模塊內部還有大量的設計細節，這里不再深入，如有興趣可以閱讀《計算機體系結構：量化研究方法》等書籍進一步了解。
內存映射空間劃分
根據不同的內存使用方式和使用場景需要，內核把內存映射地址空間劃分成多個部分，每個劃分空間都有自己的起止地址、分配接口和使用場景。下圖是一個常見的32位地址空間劃分結構。
不同的CPU體系架構在地址空間劃分上不盡相同，但為了保證CPU體系差異對外部模塊不可見，內存地址空間的分配接口的語義是一致的。
因為64位CPU一般都不需要高端內存（當然也可以支持），在地址空間劃分上與32位CPU的差異較大，下圖是一個MIPS64 CPU的內核地址空間劃分圖。
內存管理軟件架構
內核內存管理的核心工作就是內存的分配回收管理，其內部分為2個體系：頁管理和對象管理。頁管理體系是一個兩級的層次結構，對象管理體系是一個三級的層次結構，分配成本和操作對CPU cache和TLB的負面影響，從上而下逐漸升高。
頁管理層次結構：由冷熱緩存、伙伴系統組成的兩級結構。負責內存頁的緩存、分配、回收。
對象管理層次結構：由per-cpu高速緩存、slab緩存、伙伴系統組成的三級結構。負責對象的緩存、分配、回收。這里的對象指小于一頁大小的內存塊。
除了內存分配，內存釋放也是按照此層次結構操作。如釋放對象，先釋放到per-cpu緩存，再釋放到slab緩存，最后再釋放到伙伴系統。
框圖中有三個主要模塊，即伙伴系統、slab分配器和per-cpu（冷熱）緩存。他們的對比分析如下。
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