2. Linux 内存分配机制：伙伴系统与 Slab 分配器

在深入 OOM Killer 之前，必须理解 Linux 内核如何管理物理内存。本章剖析两大核心机制：伙伴系统 (Buddy System) 解决连续物理页框的分配与回收；Slab 分配器 解决内核小对象的缓存与复用。两者共同决定了内存碎片化的程度，而碎片化正是触发 OOM 的隐性推手。

2.1 伙伴系统 (Buddy System) 原理

伙伴系统是 Linux 物理页框分配的基础算法。它将物理内存划分为 2^order 个连续页框的块（order 从 0 到 MAX_ORDER-1，通常 MAX_ORDER=11，即最大块为 2MB）。

2.1.1 核心数据结构

每个内存域 (Zone) 维护一个 free_area 数组，数组索引对应 order 值，每个元素是一个链表，链接相同大小的空闲块。

2.1.2 分配与合并流程

1. 分配：请求 order=N 的连续页框。系统从 free_area[N] 链表查找空闲块。若找到，直接摘取返回；若未找到，向 order=N+1 链表“借”一个块，将其一分为二（两个伙伴），一半放入 order=N 链表，另一半返回给请求者。
2. 回收：释放 order=N 的块时，检查其伙伴（物理地址相邻、大小相同的块）是否空闲。若伙伴空闲，将两者合并为 order=N+1 的块，递归向上合并。

2.2 内存碎片化问题

伙伴系统虽然高效，但长期运行后必然产生碎片化。碎片化分为两种：

• 内部碎片 (Internal Fragmentation)：分配出去的块大于实际需求，多余部分无法被其他请求使用。例如请求 3KB，伙伴系统只能分配 4KB 的 order-0 块，浪费 1KB。
• 外部碎片 (External Fragmentation)：虽然总空闲内存足够，但无法分配连续的物理页框。例如系统有 10 个空闲页框，但分散在 10 个不同位置，无法满足 order=3（8 页连续）的请求。

2.2.1 碎片化程度评估指标

2.2.2 查看碎片化状态

# 查看每个内存域的空闲块分布（按 order 排列）
cat /proc/buddyinfo

# 输出示例（DMA 域）：
# Node 0, zone   DMA      1      0      1      0      2      1      1      0      1      1      3
# Node 0, zone  DMA32   1234    567     89     12      3      1      0      0      0      0      0
# Node 0, zone Normal  23456  12345   6789   1234    567     89     12      3      1      0      0

# 解释：从左到右依次为 order 0 到 order 10 的空闲块数量
# 若高阶 order（如 order-9、order-10）长期为 0，说明存在严重外部碎片

2.3 Slab 分配器

伙伴系统以页框为最小单位（4KB），但内核频繁分配远小于 4KB 的对象（如 task_struct ~2KB、inode ~600B、dentry ~200B）。直接使用伙伴系统会造成严重内部碎片。Slab 分配器应运而生，它基于伙伴系统提供的页框，实现内核小对象的缓存与复用。

2.3.1 Slab 分配器架构

Slab 分配器有三个核心概念：Cache、Slab、Object。

• Cache (缓存)：管理同类型对象的集合。每个 Cache 有一个名称（如 kmalloc-256、task_struct），包含一个或多个 Slab。
• Slab ( slabs )：由一个或多个连续物理页框组成，被划分为多个等大小的 Object。Slab 有三种状态：Full（全部分配）、Partial（部分空闲）、Empty（全部空闲）。
• Object (对象)：内核数据结构实例，如一个 inode、一个 dentry。

2.3.2 分配与释放流程

1. 分配 Object：从 Cache 的 partial 链表取一个 Slab，从其空闲链表头部摘取一个 Object 返回。若 partial 为空，从 empty 链表取一个 Slab 并初始化；若 empty 也为空，向伙伴系统申请新页框创建 Slab。
2. 释放 Object：将 Object 归还到所属 Slab 的空闲链表。若 Slab 变为 empty，将其移入 empty 链表；若 Cache 整体空闲 Slab 过多，可销毁部分 Slab 归还页框给伙伴系统。

2.3.3 查看 Slab 使用情况

# 查看所有 Slab 缓存统计
cat /proc/slabinfo

# 输出示例（部分）：
# slabinfo - version: 2.1
# name            <active_objs> <num_objs> <objsize> <objperslab> <pagesperslab> ...
# task_struct        12345      15000      2048       16             8
# inode_cache         5678       8000       640       25             4
# dentry             23456      30000       192       42             2
# kmalloc-256        34567      40000       256       32             2

# 关键字段说明：
# active_objs : 当前正在使用的对象数
# num_objs    : Slab 中总对象数（含空闲）
# objsize     : 每个对象大小（字节）
# objperslab  : 每个 Slab 包含的对象数
# pagesperslab: 每个 Slab 占用的页框数

2.4 伙伴系统与 Slab 的协同

两者形成分层架构：Slab 分配器是伙伴系统的“客户”，伙伴系统是 Slab 的“供应商”。

• 向上接口：Slab 分配器通过 alloc_pages() 向伙伴系统申请页框，通过 __free_pages() 归还页框。
• 向下影响：Slab 分配器释放 Empty Slab 时，伙伴系统回收页框并尝试合并，改善碎片化。
• OOM 传导：当伙伴系统无法满足 Slab 的页框请求时，Slab 分配器返回 NULL，内核调用 OOM Killer 杀进程回收内存。