2. Linux 内存管理架构：内存节点、区域、伙伴系统与 slab 分配器

Linux 内核的内存管理是一个分层架构，从物理内存的拓扑结构到内核对象的细粒度分配，共分为四个核心层级：内存节点 (Node)、内存区域 (Zone)、伙伴系统 (Buddy System) 和 slab 分配器。理解这一架构是驱动开发中进行内存映射与性能调优的基础。

2.1 内存节点 (Node)

在 NUMA (Non-Uniform Memory Access) 架构下，系统被划分为多个内存节点。每个节点与一个或多个 CPU 核心紧密关联，CPU 访问本地节点的内存速度远快于访问远程节点。内核使用 struct pglist_data 结构体描述每个节点。

• 节点结构： pg_data_t 包含节点内的内存区域列表、伙伴系统信息、页面回收参数等。
• UMA 系统： 在 UMA 架构中，整个系统只有一个内存节点 (Node 0)。
• 驱动影响： 驱动在分配大块内存时，应尽量选择与执行 CPU 相同的节点，避免跨节点访问延迟。

2.2 内存区域 (Zone)

每个内存节点被划分为多个内存区域 (Zone)，用于管理具有不同硬件特性的物理内存页。内核使用 struct zone 结构体描述每个区域。

2.3 伙伴系统 (Buddy System)

伙伴系统是内核管理物理页面的核心算法，用于解决外部碎片问题。它将所有空闲页按 2 的幂次方 (order) 组织成链表。

• 分配单位： 以 2^order 个连续物理页为单位，order 范围 0 ~ MAX_ORDER (通常为 11，即 4MB)。
• 核心 API：
  • alloc_pages(gfp_mask, order) — 分配 2^order 个连续物理页。
  • __get_free_pages(gfp_mask, order) — 返回逻辑地址。
  • free_pages(addr, order) — 释放页面。
• 碎片问题： 虽然伙伴系统减少了外部碎片，但长期运行后仍可能出现内存碎片化，导致高阶分配失败。

// 示例：查看 /proc/buddyinfo
// Node 0, zone   Normal    235    142     56     21      8      3      1      0      0      0      0
// 各列分别对应 order 0 ~ order 10 的空闲块数量

2.4 slab 分配器

伙伴系统以页为单位分配，对于内核中大量的小对象 (如 struct inode、struct file、驱动私有结构体) 来说粒度太大。slab 分配器建立在伙伴系统之上，提供对象缓存机制。

• 核心概念：
  • kmem_cache： 针对特定类型对象的缓存池。
  • slab： 由一个或多个连续物理页组成，被划分为多个相同大小的对象。
  • 着色 (Coloring)： 通过偏移调整，使不同 slab 中的对象对齐到不同 cache line，减少伪共享。
• 常用 API：
  • kmem_cache_create() — 创建对象缓存。
  • kmem_cache_alloc() — 从缓存分配对象。
  • kmem_cache_free() — 释放对象回缓存。
  • kmalloc() — 通用分配，底层基于 slab 或 kmem_cache。

2.5 层级关系与驱动交互总结

驱动开发中，理解这四个层级的关系至关重要。以下表格总结了各层级在驱动开发中的典型交互场景：