📚 课程目录第3章物理内存管理

3. 物理内存管理：伙伴系统、slab分配器、连续内存分配器(CMA)

物理内存是系统最核心的硬件资源之一。Linux 内核通过三层递进的机制管理物理内存：伙伴系统（Buddy System）负责大块连续页面的分配与回收；slab 分配器在伙伴系统之上提供细粒度的小对象缓存；连续内存分配器（CMA）则为需要大量连续物理内存的设备（如 DMA、GPU）预留可动态迁移的区域。理解这三层结构，是掌握 mmap 与 DMA 缓冲区分配的基础。

3.1 伙伴系统（Buddy System）

伙伴系统是内核物理内存分配的核心算法，以 2^order 个连续物理页（order 从 0 到 MAX_ORDER-1）为基本单位进行管理。其核心思想是将空闲页块按大小分组，分配时从最小满足需求的块中拆分，释放时与相邻的“伙伴”合并，从而减少外部碎片。

  关键数据结构：每个内存域（zone）维护一个 free_area[MAX_ORDER] 数组，每个数组项对应一个特定 order 的空闲页块链表。

3.1.1 分配与释放流程

分配请求：调用 alloc_pages(gfp_mask, order)，从目标 zone 的 free_area[order] 链表查找空闲块。
拆分（Buddy Splitting）：若当前 order 链表为空，则向更高 order 链表请求一个块，将其一分为二，低半部分放入当前 order 链表，高半部分返回给调用者。
释放与合并（Buddy Coalescing）：释放时检查伙伴页块是否空闲，若空闲则合并为更高 order 的块，并递归向上合并。

性能要点：伙伴系统分配/释放的时间复杂度为 O(1)，但拆分和合并操作会引入少量开销。对于频繁分配/释放小对象的场景，应使用 slab 分配器。

3.1.2 伙伴系统结构图

3.2 slab 分配器

slab 分配器用于管理内核中频繁分配/释放的小对象（如 task_struct、inode、dentry 等）。它基于伙伴系统分配的连续页面，通过 slab 缓存 机制实现对象复用，避免频繁的伙伴系统操作。

3.2.1 核心概念

术语	说明
cache	管理特定类型对象的缓存，每个 cache 包含多个 slab。
slab	由一个或多个连续物理页组成，内部划分为多个等大小的对象槽。
object	slab 中分配的最小单元，即内核数据结构实例。
着色（coloring）	通过偏移调整对象在 slab 中的起始位置，优化 CPU 缓存利用率。

3.2.2 分配器层次结构

3.2.3 常用 API

/* 创建缓存 */
struct kmem_cache *kmem_cache_create(const char *name,
                                     unsigned int size,
                                     unsigned int align,
                                     slab_flags_t flags,
                                     void (*ctor)(void *));

/* 从缓存分配对象 */
void *kmem_cache_alloc(struct kmem_cache *cachep, gfp_t flags);

/* 释放对象回缓存 */
void kmem_cache_free(struct kmem_cache *cachep, void *objp);

/* 销毁缓存 */
void kmem_cache_destroy(struct kmem_cache *cachep);

注意事项：slab 分配器适用于大小固定、频繁分配/释放的对象。对于大小可变或极少分配的对象，应直接使用伙伴系统或 kmalloc（基于 slab 实现）。

3.3 连续内存分配器（CMA）

CMA 是为解决嵌入式系统中大块连续物理内存分配难题而设计的机制。它预留一块物理内存区域，平时可供可移动页面使用，当 DMA 等设备需要连续内存时，通过 页面迁移 将预留区域中的页面腾空，分配给设备。

3.3.1 工作原理

预留阶段：系统启动时通过设备树或内核参数预留一块物理内存区域（如 cma=64M）。
日常使用：预留区域中的页面被加入伙伴系统的 MIGRATE_CMA 类型链表，可被可移动页面（如匿名页、文件页）占用。
分配触发：设备驱动调用 dma_alloc_coherent 或 cma_alloc 时，内核开始迁移预留区域中的页面。
页面迁移：通过 migrate_pages 将占用页面迁移到其他区域，腾出连续物理空间。
分配完成：将腾空的连续物理页分配给设备，并返回物理地址和虚拟地址。

3.3.2 CMA 与伙伴系统、slab 的关系

特性	伙伴系统	slab 分配器	CMA
分配粒度	2^order 页（4KB ~ 4MB+）	字节级（对象大小）	连续页块（通常 1MB ~ 数百 MB）
主要用途	通用物理页分配	内核小对象缓存	DMA/GPU/多媒体缓冲区
碎片处理	合并伙伴减少外部碎片	对象复用减少内部碎片	页面迁移消除外部碎片
分配延迟	低（O(1)）	极低（缓存命中）	高（涉及页面迁移）
底层依赖	硬件页面表	伙伴系统	伙伴系统 + 页面迁移

3.3.3 CMA 分配流程

3.3.4 驱动中使用 CMA

#include <linux/dma-mapping.h>

/* 分配 DMA 缓冲区（自动使用 CMA） */
dma_addr_t dma_handle;
void *cpu_addr = dma_alloc_coherent(dev, size, &dma_handle, GFP_KERNEL);

/* 使用缓冲区... */

/* 释放 DMA 缓冲区 */
dma_free_coherent(dev, size, cpu_addr, dma_handle);

最佳实践：在嵌入式系统中，建议为多媒体、GPU、网卡等需要大块连续内存的设备预留 CMA 区域。CMA 区域大小通常为总内存的 5%~20%，具体取决于设备需求。

3.4 三层协同工作

伙伴系统、slab 分配器和 CMA 并非独立运行，而是形成完整的物理内存管理栈：

伙伴系统 是基石，管理所有物理页的分配与回收。
slab 分配器 构建在伙伴系统之上，通过缓存机制高效管理小对象。
CMA 利用伙伴系统的 MIGRATE_CMA 类型链表和页面迁移机制，实现大块连续内存的按需分配。