介绍过伙伴系统的原理和伙伴系统的数据结构，现在来看伙伴系统是如何来分配页面的。实际上，伙伴系统分配页面的算法并不复杂，但是由于考虑到分配内存时要尽量减少碎片的产生(涉及迁移机制)以及当内存不足时需要采取各种更为积极的手段，使得内核分配页面的

介绍过伙伴系统的原理和伙伴系统的数据结构，现在来看伙伴系统是如何来分配页面的。实际上，伙伴系统分配页面的算法并不复杂，但是由于考虑到分配内存时要尽量减少碎片的产生(涉及迁移机制)以及当内存不足时需要采取各种更为积极的手段，使得内核分配页面的相关函数完整地分析起来比较复杂庞大。在这里，我们只关注分配时最一般的情况，而其他情况的处理在以后单独拿出来讨论。

我们从__alloc_pages_nodemask()这个函数开始分析，所有的分配页面的函数最终都会落到这个函数上面，它是伙伴系统的入口。

[cpp]

struct page *

__alloc_pages_nodemask(gfp_t gfp_mask, unsigned int order,

struct zonelist *zonelist, nodemask_t *nodemask)

{

/*根据gfp_mask确定分配页所处的管理区*/

enum zone_type high_zoneidx = gfp_zone(gfp_mask);

struct zone *preferred_zone;    www.cit.cn

struct page *page;

/*根据gfp_mask得到迁移类分配页的型*/

int migratetype = allocflags_to_migratetype(gfp_mask);

gfp_mask &= gfp_allowed_mask;

lockdep_trace_alloc(gfp_mask);

might_sleep_if(gfp_mask & __GFP_WAIT);

if (should_fail_alloc_page(gfp_mask, order))

return NULL;

/*

* Check the zones suitable for the gfp_mask contain at least one

* valid zone. It's possible to have an empty zonelist as a result

* of GFP_THISNODE and a memoryless node

*/

if (unlikely(!zonelist->_zonerefs->zone))

return NULL;

/* The preferred zone is used for statistics later */

/*从zonelist中找到zone_idx与high_zoneidx相同的管理区，也就是之前认定的管理区*/

first_zones_zonelist(zonelist, high_zoneidx, nodemask, &preferred_zone);

if (!preferred_zone)

return NULL;

/* First allocation attempt */

page = get_page_from_freelist(gfp_mask|__GFP_HARDWALL, nodemask, order,

zonelist, high_zoneidx, ALLOC_WMARK_LOW|ALLOC_CPUSET,

preferred_zone, migratetype);

if (unlikely(!page))

/*第一次分配失败的话则会用通过一条低速路径来进行第二次分配，包括唤醒页换出守护进程等等*/

page = __alloc_pages_slowpath(gfp_mask, order,

zonelist, high_zoneidx, nodemask,

preferred_zone, migratetype);

trace_mm_page_alloc(page, order, gfp_mask, migratetype);

return page;

}

首先要做的就是找到指定的分配管理区，管理区的编号保存在high_zoneidx中

然后就是尝试第一次分配，流程是从指定的管理区开始扫描管理区-->找到充足的管理区-->从指定的迁移类型链表中分配内存-->如果在指定迁移类型中找不到则到其他的迁移类型中去寻找

如果第二步在各个区域都找不到可以满足分配的内存了，那么说明管理区的内存已经确实不够了，于是开始启用一条慢速的途径来分配，包括尝试去换出一些不经常使用的页等等，内核会在这次分配中表现得更为积极，其中的细节涉及到了其他一些复杂的东西，以后再做分析

[cpp]

static struct page *

get_page_from_freelist(gfp_t gfp_mask, nodemask_t *nodemask, unsigned int order,

struct zonelist *zonelist, int high_zoneidx, int alloc_flags,

struct zone *preferred_zone, int migratetype)    www.cit.cn

{

struct zoneref *z;

struct page *page = NULL;

int classzone_idx;

struct zone *zone;

nodemask_t *allowednodes = NULL;/* zonelist_cache approximation */

int zlc_active = 0;     /* set if using zonelist_cache */

int did_zlc_setup = 0;      /* just call zlc_setup() one time */

/*获取管理区的编号*/

classzone_idx = zone_idx(preferred_zone);

zonelist_scan:

/*

* Scan zonelist, looking for a zone with enough free.

* See also cpuset_zone_allowed() comment in kernel/cpuset.c.

*/

/*从认定的管理区开始遍历，直到找到一个拥有足够空间的管理区，

例如，如果high_zoneidx对应的ZONE_HIGHMEM，则遍历顺序为HIGHMEM-->NORMAL-->DMA，

如果high_zoneidx对应ZONE_NORMAL，则遍历顺序为NORMAL-->DMA*/

for_each_zone_zonelist_nodemask(zone, z, zonelist,

high_zoneidx, nodemask) {

if (NUMA_BUILD && zlc_active &&

!zlc_zone_worth_trying(zonelist, z, allowednodes))

continue;

/*检查给定的内存域是否属于该进程允许运行的CPU*/

if ((alloc_flags & ALLOC_CPUSET) &&

!cpuset_zone_allowed_softwall(zone, gfp_mask))

goto try_next_zone;

BUILD_BUG_ON(ALLOC_NO_WATERMARKS < NR_WMARK);

if (!(alloc_flags & ALLOC_NO_WATERMARKS)) {

unsigned long mark;

int ret;

/*通过alloc_flags来确定是使用何种水印，pages_min?pages_low?pages_high?

选择了一种水印，就要求分配后的空闲不低于该水印才能进行分配*/

mark = zone->watermark[alloc_flags & ALLOC_WMARK_MASK];

/*如果管理区的水位线处于正常水平，则在该管理区进行分配*/

if (zone_watermark_ok(zone, order, mark,

classzone_idx, alloc_flags))

goto try_this_zone;

if (zone_reclaim_mode == 0)

goto this_zone_full;

/*下面这部分都是针对NUMA架构的申请页面回收*/

ret = zone_reclaim(zone, gfp_mask, order);

switch (ret) {    www.cit.cn

case ZONE_RECLAIM_NOSCAN:/*没有进行回收*/

/* did not scan */

goto try_next_zone;

case ZONE_RECLAIM_FULL:  /*没有找到可回收的页面*/

/* scanned but unreclaimable */

goto this_zone_full;

default:

/* did we reclaim enough */

if (!zone_watermark_ok(zone, order, mark,

classzone_idx, alloc_flags))

goto this_zone_full;

}

}

try_this_zone:/*分配2^order个页*/

page = buffered_rmqueue(preferred_zone, zone, order,

gfp_mask, migratetype);

if (page)

break;

this_zone_full:

if (NUMA_BUILD)

zlc_mark_zone_full(zonelist, z);

try_next_zone:

if (NUMA_BUILD && !did_zlc_setup && nr_online_nodes > 1) {

/*

* we do zlc_setup after the first zone is tried but only

* if there are multiple nodes make it worthwhile

*/

allowednodes = zlc_setup(zonelist, alloc_flags);

zlc_active = 1;

did_zlc_setup = 1;

}

}

if (unlikely(NUMA_BUILD && page == NULL && zlc_active)) {

/* Disable zlc cache for second zonelist scan */

zlc_active = 0;

goto zonelist_scan;

}

return page;

}

从指定的管理区开始按照zonelist中定义的顺序来遍历管理区

如果该管理区的水位线正常，则调用buffered_rmqueue()在该管理区中分配

如果管理区的水位线过低，则在NUMA架构下会申请页面回收

[cpp]

static inline

struct page *buffered_rmqueue(struct zone *preferred_zone,

struct zone *zone, int order, gfp_t gfp_flags,

int migratetype)    www.cit.cn

{

unsigned long flags;

struct page *page;

int cold = !!(gfp_flags & __GFP_COLD);

int cpu;

again:

cpu  = get_cpu();

if (likely(order == 0)) {/*order为0，即要求分配一个页*/

struct per_cpu_pages *pcp;

struct list_head *list;

pcp = &zone_pcp(zone, cpu)->pcp;/*获取本地CPU对应的pcp*/

list = &pcp->lists[migratetype];/*获取和迁移类型对应的链表*/

local_irq_save(flags);

/*如果链表为空，则表示没有可分配的页，需要从伙伴系统中分配2^batch个页给list*/

if (list_empty(list)) {

pcp->count += rmqueue_bulk(zone, 0,

pcp->batch, list,

migratetype, cold);

if (unlikely(list_empty(list)))

goto failed;

}

if (cold)/*如果是需要冷页，则从链表的尾部获取*/

page = list_entry(list->prev, struct page, lru);

else     /*如果是需要热页，则从链表的头部获取*/

page = list_entry(list->next, struct page, lru);

list_del(&page->lru);

pcp->count--;

} else {

if (unlikely(gfp_flags & __GFP_NOFAIL)) {

/*

* __GFP_NOFAIL is not to be used in new code.

*

* All __GFP_NOFAIL callers should be fixed so that they

* properly detect and handle allocation failures.

*

* We most definitely don't want callers attempting to

* allocate greater than order-1 page units with

* __GFP_NOFAIL.

*/

WARN_ON_ONCE(order > 1);

}

spin_lock_irqsave(&zone->lock, flags);

/*从管理区的伙伴系统中选择合适的内存块进行分配*/

page = __rmqueue(zone, order, migratetype);

spin_unlock(&zone->lock);

if (!page)    www.cit.cn

goto failed;

__mod_zone_page_state(zone, NR_FREE_PAGES, -(1 << order));

}

__count_zone_vm_events(PGALLOC, zone, 1 << order);

zone_statistics(preferred_zone, zone);

local_irq_restore(flags);

put_cpu();

VM_BUG_ON(bad_range(zone, page));

if (prep_new_page(page, order, gfp_flags))

goto again;

return page;

failed:

local_irq_restore(flags);

put_cpu();

return NULL;

}

该函数分两种情况进行处理，一种是只要求分配单个页框，另一种是要求分配多个连续页框

对于单个页面，内核选择从每CPU页框高速缓存中分配，它的核心描述结构也是MIGRATE_TYPES个链表，只不过链表中的元素都是单个页。这些页分为热页和冷页，所谓热页就是还处在CPU高速缓存中的页，相反，冷页就是不存在于高速缓存中的页。对于单个页框的申请，分配热页可以提高效率。需要注意的是，越靠近链表头的页越热，越靠近链表尾的页越冷，因为每次释放单个页框的时候，页框是插入到链表的头部的，也就是说靠近头部的页框是最近才释放的，因此最有可能存在于高速缓存当中对于连续的页框分配，通过调用__rmqueue()来完成分配

[cpp]

static struct page *__rmqueue(struct zone *zone, unsigned int order,

int migratetype)

{

struct page *page;

retry_reserve:

page = __rmqueue_smallest(zone, order, migratetype);

/*如果分配失败并且迁移类型不是MIGRATE_RESERVE(如果是MIGRATE_RESERVE，

则表明已经没有其他的迁移类型可供选择了)*/

if (unlikely(!page) && migratetype != MIGRATE_RESERVE) {

page = __rmqueue_fallback(zone, order, migratetype);

/*

* Use MIGRATE_RESERVE rather than fail an allocation. goto

* is used because __rmqueue_smallest is an inline function

* and we want just one call site

*/

if (!page) {

migratetype = MIGRATE_RESERVE;

goto retry_reserve;

}    www.cit.cn

}

trace_mm_page_alloc_zone_locked(page, order, migratetype);

return page;

}

首先按照指定的迁移类型，调用__rmqueue_smallest()来分配对应的内存块,该函数是伙伴系统的算法体现

如果分配失败，则说明指定的迁移类型中没有充足的内存来满足分配，这时就要按fallbacks中定义的顺序从其他的迁移链表中寻找了，__rmqueue_fallback()函数较为复杂，体现了利用迁移类型来避免碎片的思想，后面单独拿出来分析

[cpp]

static inline

struct page *__rmqueue_smallest(struct zone *zone, unsigned int order,

int migratetype)

{

unsigned int current_order;

struct free_area * area;

struct page *page;

/* Find a page of the appropriate size in the preferred list */

for (current_order = order; current_order < MAX_ORDER; ++current_order) {

/*获取和现在的阶数对应的free_area*/

area = &(zone->free_area[current_order]);

/*和迁移类型对应的free_list为空则不执行下面的内容*/

if (list_empty(&area->free_list[migratetype]))

continue;

/*得到满足要求的页块中的第一个页描述符*/

page = list_entry(area->free_list[migratetype].next,

struct page, lru);

list_del(&page->lru);

rmv_page_order(page);/*将page的private域设为0*/

area->nr_free--;         /*内存块数减1*/

/*进行拆分(在current_order>order的情况下)*/

expand(zone, page, order, current_order, area, migratetype);

return page;    www.cit.cn

}

return NULL;

}

[cpp]

static inline void expand(struct zone *zone, struct page *page,

int low, int high, struct free_area *area,

int migratetype)

{

unsigned long size = 1 << high;/*order为high的页块对应的页框数*/

/*申请的order为low,实际分配的块对应的order为high

如果high大于low则要将大块进行拆分，并且将拆分后的伙伴块添加到下一级order的块链表中去*/

while (high > low) {

area--;/*area减1得到下一级order对应的area*/

high--;/*high减1表明进行了一次拆分*/

size >>= 1;/*拆分一次size就要除以2*/

VM_BUG_ON(bad_range(zone, &page[size]));

/*通过size来定位拆分后的伙伴块的起始页框描述符，

并将其作为第一个块添加到下一级order的块链表中*/

list_add(&page[size].lru, &area->free_list[migratetype]);

area->nr_free++;/*该order区域的块数加1*/    www.cit.cn

set_page_order(&page[size], high);/*设定private域为high*/

}

}

只需要注意一点，一个块的定位可以由块首的起始页对应的描述符和order(size)来定位，因此只需要将一个块的第一个页描述符链入相应的链表就可以了。

作者 vanbreaker