Linux内核的内存管理探秘之二 物理内存的管理(一)分配与回收.pdf

《Linux内核的内存管理探秘之二：物理内存的管理(一)分配与回收》 在深入探讨Linux内核的内存管理时，物理内存的分配与回收是至关重要的环节。Linux内核采用了一种高效的分配算法——伙伴系统（Buddy System），其核心在于将内存以4KB的页面为单位进行管理，并利用位图和链表来跟踪内存的状态，从而减少外碎片，提高内存利用率。 Linux将物理内存分为多个zone区域，如DMA、DMA32和Normal等，每个zone都有一个数据结构`struct zone`来维护对应的内存信息。在每个zone内部，通过`struct free_area`结构体来组织不同大小的页块链表，这些链表对应于2的幂次方个连续页面，例如，2^0表示单个页面，2^1表示两个连续页面，以此类推。`struct free_area`包含一个空闲页块链表头部`free_list`和一个位图数组`map`，位图用于快速定位空闲页块。 伙伴系统算法的核心在于它的合并策略。当需要分配特定大小的页块时，内核首先会在对应大小的链表中查找。如果找不到，就会尝试在更大一级的链表中找到一个页块，然后将其对半分割，将一半分配出去，另一半加入更小一级的链表。当回收页块时，如果发现回收的页块与其伙伴页都是空闲的，那么它们会合并成更大的页块，并放入相应大小的链表中。 关键函数如`rmqueue`用于分配页块，它根据指定的zone和分配的页面数量(order)找到对应的空闲页块链表，然后从链表中移除页块并进行分配。`__free_pages`则是负责回收页块，它会检查回收页块的伙伴状态，如果伙伴也是空闲的，则进行合并操作。 此外，为了进一步优化内存分配，Linux内核还引入了Slab分配器，它是针对小于一页的内核对象设计的。Slab分配器将页块划分为更小的单元，称为slabs，每个slab内部存储相同类型的对象，这样可以减少内存浪费和内碎片。Slab分配器通过`kmem_cache`结构体管理各种内核对象的内存池，实现了高效的小对象内存分配和回收。 Linux内核的物理内存管理机制是一个复杂而精细的系统，通过伙伴算法和Slab分配器的结合，有效地实现了内存的高效利用，降低了碎片问题，保证了系统的稳定运行。对于系统开发者和研究者来说，理解这一机制有助于优化系统性能和解决内存相关的问题。