📚 课程目录第2章物理内存管理

2. 物理内存管理：伙伴系统算法、slab分配器、内存碎片化问题

物理内存是计算机系统最核心的硬件资源之一。操作系统内核必须高效、公平地管理这片有限的空间，同时满足不同大小、不同生命周期、不同对齐要求的内存分配请求。本章深入剖析Linux内核中两大物理内存管理支柱——伙伴系统（Buddy System）与Slab分配器，并重点讨论工程实践中棘手的内存碎片化问题及其缓解策略。

工程视角： 在用户态通过 mmap 映射匿名页或文件页时，底层最终都会落到物理页的分配上。理解伙伴系统和Slab分配器，有助于解释为什么频繁的 mmap/munmap 可能导致系统性能抖动，以及如何通过调整内核参数来优化。

2.1 伙伴系统算法

伙伴系统是Linux内核管理物理页帧（Page Frame）的基础算法。它专门解决“分配连续物理页”的问题，并以2的幂次阶（order）为单位进行管理，以平衡分配效率与外部碎片。

2.1.1 核心数据结构

每个内存节点（NUMA Node）的 struct zone 中，包含一个 free_area 数组，用于维护不同阶的空闲链表：

// 简化自 include/linux/mmzone.h
struct free_area {
    struct list_head    free_list[MIGRATE_TYPES]; // 按迁移类型分组
    unsigned long       nr_free;                  // 该阶空闲页块数量
};

struct zone {
    // ...
    struct free_area    free_area[MAX_ORDER];     // MAX_ORDER 通常为 11 (0~10阶)
    unsigned long       _watermark[NR_WMARK];
    // ...
};

阶（Order）：0阶对应1页（4KB），1阶对应2页（8KB），n阶对应 2^n 页。
MAX_ORDER：通常为11，即最大可分配 2^10 = 1024 页（4MB）的连续物理内存。
迁移类型（MIGRATE_TYPES）：将空闲页按可移动性分类（不可移动、可回收、可移动、预留等），以减少碎片。

2.1.2 分配与释放流程

操作	步骤	说明
分配 `alloc_pages(order)`	1. 从请求阶的空闲链表查找 2. 若失败，向高阶逐级查找 3. 找到后，将高阶块分裂为两个伙伴 4. 将低阶块返回，高阶伙伴插入对应链表	最坏情况需遍历到 MAX_ORDER-1
释放 `__free_pages(page, order)`	1. 检查释放块的伙伴是否空闲 2. 若伙伴空闲且同阶，合并为高阶块 3. 递归向上合并，直到无法合并为止 4. 将最终块插入对应空闲链表	合并操作可显著缓解外部碎片

  关键指标： 伙伴系统的分配时间复杂度为 O(MAX_ORDER)，释放时可能触发递归合并，但整体仍为常数级。然而，频繁的分配/释放会导致高阶空闲块被不断分裂，产生大量低阶碎片。

2.2 Slab分配器

伙伴系统以页为最小单位，但内核中大量对象（如 task_struct、inode、dentry）仅需几十到几百字节。直接使用伙伴系统分配会产生巨大的内部碎片。Slab分配器应运而生，它在伙伴系统提供的连续页之上，实现针对特定大小对象的高速缓存（Cache）。

2.2.1 架构层次

Cache（高速缓存）：每个Cache管理一种固定大小的对象（如 32B、64B、128B 或特定结构体）。
Slab（ slabs）：一个Slab由一个或多个连续物理页组成，被划分为多个对象槽位。
对象（Object）：Cache中分配的最小单元，每个对象可以处于“已分配”或“空闲”状态。

组件	作用	典型大小
`struct kmem_cache`	描述一个对象缓存池，包含 slab 链表、构造函数、对齐属性	数百字节
`struct slab`	描述一个具体的 slab 页块，管理对象位图	几十字节
对象（Object）	实际分配的内存单元，可能包含 `freelist` 指针	8B ~ 8KB

2.2.2 分配与释放路径

// 分配对象
void *kmem_cache_alloc(struct kmem_cache *cachep, gfp_t flags) {
    struct slab *slabp;
    unsigned long objp;

    // 1. 从 per-CPU 的本地缓存（cpu_cache）快速分配
    // 2. 若本地缓存为空，从 slab 的 partial 链表获取
    // 3. 若 partial 为空，从 buddy 分配新 slab 页
    // 4. 返回对象地址
    return objp;
}

// 释放对象
void kmem_cache_free(struct kmem_cache *cachep, void *objp) {
    // 1. 将对象放回 per-CPU 缓存
    // 2. 若 per-CPU 缓存已满，批量回收到 slab 的 partial 链表
    // 3. 若 slab 所有对象空闲，释放回伙伴系统
}

性能陷阱： Slab分配器的 per-CPU 缓存（struct array_cache）是性能关键。如果频繁跨 CPU 释放对象（如一个 CPU 分配，另一个 CPU 释放），会导致缓存行 bouncing 和锁竞争。在 NUMA 系统中，应尽量使用 kmem_cache_alloc_node() 在本地节点分配。

2.3 内存碎片化问题

内存碎片化是长期运行系统中导致高阶分配失败（如 order-4 以上）的主要元凶。即使总空闲内存充足，也可能无法分配连续的物理页块。

2.3.1 碎片类型

类型	定义	产生原因	影响
内部碎片	分配单元内部未使用的空间	伙伴系统按 2^n 页分配；Slab 对象对齐	内存利用率下降，但通常可控
外部碎片	空闲页块不连续，无法满足高阶分配	长期分配/释放导致空闲页散布	高阶分配失败，触发内存压缩或 OOM

2.3.2 碎片化缓解策略

迁移类型分组（MIGRATE_TYPES）：将不可移动页（如内核分配）与可移动页（如用户态匿名页）隔离，避免不可移动页阻塞连续空间。
内存压缩（Memory Compaction）：通过页面迁移（page migration）将可移动页集中到区域一端，腾出连续大块。
虚拟可移动区域（ZONE_MOVABLE）：专门用于可移动页的分配，便于在线内存热插拔和碎片整理。
THP（透明大页）：尽量分配 2MB 大页，减少页表项数量，但需注意大页分配失败时的回退策略。

  工程实践建议：
  监控 /proc/buddyinfo 观察各阶空闲页数量，若高阶（order≥4）长期为0，说明碎片严重。
在长时间运行的服务中，定期触发 echo 1 > /proc/sys/vm/compact_memory 进行内存压缩。
对于大页需求，使用 mmap 时指定 MAP_HUGETLB 并配合 hugetlbfs，绕过伙伴系统直接使用预留大页池。

/proc/sys/vm/compact_memory。

2.4 本章小结

伙伴系统以 2^n 页为单位管理物理内存，通过分裂与合并平衡分配灵活性与碎片控制，是物理页分配的基础。
Slab分配器在伙伴系统之上构建对象缓存，通过 per-CPU 缓存和 slab 链表实现高效的小对象分配，避免内部碎片。
内存碎片化是长期运行系统的核心挑战，通过迁移类型分组、内存压缩、ZONE_MOVABLE 等机制缓解。
在 mmap 开发中，理解底层物理内存管理有助于解释大页映射、内存压力、分配延迟等行为，是性能调优的前提。