4. 内存块分配流程

伙伴系统的内存分配请求从页面分配器的顶层入口 __alloc_pages_nodemask() 开始，经过快速路径与慢速路径的多次尝试，最终通过 rmqueue() 从特定内存区域取出物理页面。本节将沿着这条调用链，逐层剖析核心函数的执行逻辑，并重点展示 __rmqueue_smallest() 如何在伙伴链表中完成块的拆分与摘取。

4.1 顶层入口：__alloc_pages_nodemask()

__alloc_pages_nodemask() 是 Linux 内核中用于分配连续物理页面的核心函数，位于 mm/page_alloc.c。它封装了从快速路径到慢速路径的完整分配逻辑，是伙伴系统对外暴露的主要接口。

struct page *__alloc_pages_nodemask(gfp_t gfp_mask, unsigned int order,
                                    int preferred_nid, nodemask_t *nodemask);

该函数的执行流程分为两个主要阶段：

1. 快速路径（fast path）：在允许的节点和区域中，尝试直接从伙伴系统分配。如果成功，直接返回页面。
2. 慢速路径（slow path）：当快速路径失败时，进入更复杂的重试逻辑，包括异步内存回收、压缩（compaction）、OOM 等。

下图展示了 __alloc_pages_nodemask() 的顶层决策流程：

4.2 区域分配器：rmqueue()

当 get_page_from_freelist() 在快速路径中选定一个内存区域（zone）后，会调用 rmqueue() 从该区域的伙伴系统中实际摘取页面块。rmqueue() 是伙伴系统分配器的核心枢纽，它根据请求的阶数决定使用哪个底层函数。

rmqueue() 的主要逻辑如下：

static inline struct page *rmqueue(struct zone *preferred_zone,
                                   struct zone *zone, unsigned int order,
                                   gfp_t gfp_flags, unsigned int alloc_flags)
{
    struct page *page;

    if (likely(order == 0)) {
        page = rmqueue_bulk(zone, 0, alloc_flags, gfp_flags);
        if (unlikely(!page))
            goto failed;
    } else {
        page = __rmqueue_smallest(zone, order, MIGRATE_UNMOVABLE);
        if (unlikely(!page))
            page = __rmqueue_fallback(zone, order, MIGRATE_UNMOVABLE);
    }

    if (page) {
        // 更新统计、设置页面属性等
    }
    return page;
}

下图展示了 rmqueue() 内部根据 order 选择不同路径的决策树：

4.3 核心拆分器：__rmqueue_smallest()

__rmqueue_smallest() 是伙伴系统分配算法最直接的体现。它从指定迁移类型的伙伴链表中，从请求阶数开始向上搜索，找到第一个非空链表，然后执行块的拆分与摘取。

static inline struct page *__rmqueue_smallest(struct zone *zone,
                                              unsigned int order,
                                              int migratetype);

该函数的执行步骤如下：

1. 搜索起始阶：从 order 开始，逐阶向上检查 zone->free_area[current_order].free_list[migratetype] 是否为空。
2. 找到非空链表：当在阶 current_order 找到可用块时，从链表中摘取该块。
3. 拆分块：如果 current_order > order，则将多余的块拆分成更小的伙伴块，并放回对应阶的链表中。
4. 返回结果：返回摘取到的页面块的首地址。

下表总结了拆分过程中各阶的变化：

下图以 order=3（8 页）请求为例，展示从 order=4 链表中摘取并拆分的完整过程：

4.4 分配流程总结

从 __alloc_pages_nodemask() 到 __rmqueue_smallest() 的完整调用链可以归纳为以下层级关系：