1 前景回顾
在内核初始化完成之后, 内存管理的责任就由伙伴系统来承担. 伙伴系统基于一种相对简单然而令人吃惊的强大算法.
Linux内核使用二进制伙伴算法来管理和分配物理内存页面, 该算法由Knowlton设计, 后来Knuth又进行了更深刻的描述.
伙伴系统是一个结合了2的方幂个分配器和空闲缓冲区合并计技术的内存分配方案, 其基本思想很简单. 内存被分成含有很多页面的大块, 每一块都是2个页面大小的方幂. 如果找不到想要的块, 一个大块会被分成两部分, 这两部分彼此就成为伙伴. 其中一半被用来分配, 而另一半则空闲. 这些块在以后分配的过程中会继续被二分直至产生一个所需大小的块. 当一个块被最终释放时, 其伙伴将被检测出来, 如果伙伴也空闲则合并两者.
内核如何记住哪些内存块是空闲的
分配空闲页面的方法
影响分配器行为的众多标识位
内存碎片的问题和分配器如何处理碎片
2 内存分配API
2.1 内存分配器API
就伙伴系统的接口而言, NUMA或UMA体系结构是没有差别的, 二者的调用语法都是相同的.
所有函数的一个共同点是 : 只能分配2的整数幂个页.
因此，接口中不像C标准库的malloc函数或bootmem和memblock分配器那样指定了所需内存大小作为参数. 相反, 必须指定的是分配阶, 伙伴系统将在内存中分配2^0 rder页 内核中细粒度的分配只能借助于slab分配器(或者slub、slob分配器), 后者基于伙伴系统
| 内存分配函数 | 功能 | 定义 |
|---|---|---|
| alloc_pages(mask, order) | 分配2^0 rder 页并返回一个struct page的实例，表示分配的内存块的起始页 | NUMA-include/linux/gfp.h, line 466 UMA-include/linux/gfp.h?v=4.7, line 476 |
| alloc_page(mask) | 是前者在order = 0情况下的简化形式，只分配一页 | include/linux/gfp.h?v=4.7, line 483 |
| get_zeroed_page(mask) | 分配一页并返回一个page实例，页对应的内存填充0（所有其他函数，分配之后页的内容是未定义的） | mm/page_alloc.c?v=4.7, line 3900 |
| __get_free_pages(mask, order) __get_free_page(mask) |
工作方式与上述函数相同，但返回分配内存块的虚拟地址，而不是page实例 | |
| get_dma_pages(gfp_mask, order) | 用来获得适用于DMA的页. | include/linux/gfp.h?v=4.7, line 503 |
在空闲内存无法满足请求以至于分配失败的情况下，所有上述函数都返回空指针(比如alloc_pages和alloc_page)或者0(比如get_zeroed_page、__get_free_pages和__get_free_page).
因此内核在各次分配之后都必须检查返回的结果. 这种惯例与设计得很好的用户层应用程序没什么不同, 但在内核中忽略检查会导致严重得多的故障
内核除了伙伴系统函数之外, 还提供了其他内存管理函数. 它们以伙伴系统为基础, 但并不属于伙伴分配器自身. 这些函数包括vmalloc和vmalloc_32, 使用页表将不连续的内存映射到内核地址空间中, 使之看上去是连续的.
还有一组kmalloc类型的函数, 用于分配小于一整页的内存区. 其实现将在以后分别讨论。
2.2 内存分配API统一到alloc_pages接口
通过使用标志、内存域修饰符和各个分配函数，内核提供了一种非常灵活的内存分配体系.尽管如此, 所有接口函数都可以追溯到一个简单的基本函数(alloc_pages_node)
分配单页的函数alloc_page和__get_free_page, 还有__get_dma_pages是借助于宏定义的.
// http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/gfp.h?v=4.7#L483
#define alloc_page(gfp_mask) alloc_pages(gfp_mask, 0)
// http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/gfp.h?v=4.7#L500
#define __get_free_page(gfp_mask) \
__get_free_pages((gfp_mask), 0)`
// http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/gfp.h?v=4.7#L503
#define __get_dma_pages(gfp_mask, order) \
__get_free_pages((gfp_mask) | GFP_DMA, (order))get_zeroed_page的实现也没什么困难, 对__get_free_pages使用__GFP_ZERO标志，即可分配填充字节0的页. 再返回与页关联的内存区地址即可.
// http://lxr.free-electrons.com/source/mm/page_alloc.c?v=4.7#L3900
unsigned long get_zeroed_page(gfp_t gfp_mask)
{
return __get_free_pages(gfp_mask | __GFP_ZERO, 0);
}
EXPORT_SYMBOL(get_zeroed_page);__get_free_pages调用alloc_pages完成内存分配, 而alloc_pages又借助于alloc_pages_node
__get_free_pages函数的定义在mm/page_alloc.c?v=4.7, line 3883
// http://lxr.free-electrons.com/source/mm/page_alloc.c?v=4.7#L3883
unsigned long __get_free_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order)
{
struct page *page;
/*
* __get_free_pages() returns a 32-bit address, which cannot represent
* a highmem page
*/
VM_BUG_ON((gfp_mask & __GFP_HIGHMEM) != 0);
page = alloc_pages(gfp_mask, order);
if (!page)
return 0;
return (unsigned long) page_address(page);
}
EXPORT_SYMBOL(__get_free_pages);在这种情况下， 使用了一个普通函数而不是宏， 因为alloc_pages返回的page实例需要使用辅助
函数page_address转换为内存地址. 在这里，只要知道该函数可根据page实例计算相关页的线性内存地址即可. 对高端内存页这是有问题的
这样, 就完成了所有分配内存的API函数到公共的基础函数alloc_pages的统