1. 内存管理全景：物理内存与虚拟内存、伙伴系统与slab/vmalloc的定位

内存管理是操作系统内核最核心的子系统之一。理解物理内存与虚拟内存的映射关系、伙伴系统（Buddy System）的页级分配机制，以及 slab 与 vmalloc 在内核中的角色，是掌握内存分配优化的前提。本章从全景视角梳理这些概念，为后续的实战调优打下坚实基础。

1.1 物理内存与虚拟内存：两大抽象层次

现代操作系统通过虚拟内存（Virtual Memory）为每个进程提供独立的地址空间，而物理内存（Physical Memory）则是硬件实际可寻址的存储介质。内核必须在这两层之间建立高效、安全的映射。

1.2 伙伴系统（Buddy System）与页分配器

伙伴系统是内核管理物理页帧（Page Frame）的核心算法。它将空闲页按 2 的幂次方（order）组织成链表，分配时从最小满足需求的 order 链表中取出一块，若该链表为空则向更高 order 请求并分裂；释放时检查其“伙伴”是否空闲，若是则合并回更高 order。

1.3 slab 分配器：内核对象缓存的基石

slab 分配器（以及其变体 slub、slob）专门用于管理内核中频繁创建和销毁的小对象（如 task_struct、inode、dentry）。它基于伙伴系统提供的物理页，通过缓存预分配的对象来减少分配开销，并利用着色（coloring）技术优化 CPU 缓存利用率。

// 创建 slab 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);

1.4 vmalloc：虚拟地址连续性的救星

vmalloc 用于分配虚拟地址连续但物理地址可能不连续的大块内存。它通过修改内核页表，将多个不连续的物理页映射到一段连续的虚拟地址空间。适用于需要大缓冲区但不需要物理连续性的场景（如模块加载、某些驱动程序）。

1.5 三者在内存管理中的定位总结

伙伴系统、slab 和 vmalloc 构成了内核内存分配的三层体系。伙伴系统是地基，管理物理页；slab 是上层建筑，优化小对象分配；vmalloc 是特殊通道，解决虚拟地址连续性问题。理解它们的定位与协作关系，是进行内存分配优化的第一步。