《深入理解Linux内核》笔记5：内存管理

本文介绍内核如何给自己分配物理内存并管理。对应《深入》第8章。

在《深入》第2章“内存寻址”（或者是我博客中的这篇文章，点这里）中，已经介绍了内核如何给自己分配1G的线性地址的。但是物理内存的分配及管理恐怕更复杂而且更有必要：内存分配和释放的速度（由内存管理的算法决定）影响内核的工作效率。

首先介绍概念：

页框：通俗的说就是物理内存上的单元。请注意与“页”的区别。页有两重意思，不过最多的用法是指线性地址的单元。所以一个是实际物理内存的单元，一个是线性地址/虚拟内存的单元。在大多数情况下，页框大小等于页的大小，为4KB，使得一个页框恰好可以容纳一个页的数据。

（1）为什么要进行内存管理？

内存管理的目的总体上说无非是两点：提高时间效率和提高空间效率。时间效率也就是尽量使寻找到空闲内存、分配和释放这块内存的时间更短。空间效率就是指尽量能找到合适大小的空间，并减少内存空间浪费。

关于空间效率，举个简单的例子：切蛋糕。当我们拿到一块完整的蛋糕的话，如果想每个人都吃到完整的一块，那么我们当然不能没有计划的切块。虽然总量是不变的，但是如果随便乱切，横七竖八，势必导致最后剩下的蛋糕都是碎块，那么后面吃蛋糕的同学必然只能把小块小块的蛋糕凑成一大块来吃。势必很不爽啊。。。

（2）关键数据结构：页描述符

如果需要对一个东西进行管理，那么必须要有负责管理的数据结构，这个数据结构中有各个字段，用来提供不同的管理功能。举例子：比如为了保护内核的内存不被用户进程使用，就必须使用一个标志位；用户进程在读写内存时，首先就要检查这个标志位，然后才能读写。

所以内核使用了“页描述符”这个数据结构，页描述符的类型是page，长度为32字节（是字节哦），所有的页描述符放在一个数组mem_map中。我个人觉得好像应该叫“页框描述符”比较好。

（3）为什么要使用内存管理区？

内存本来在物理上是一个实体，并不分区的。有人会问：这样的一个整体进行处理不是很简洁么？为什么要分区呢？

但是由于以下的两种约束，我们迫不得已给自己增加了负担，将内存分区来管理。

约束一：DMA。这个名词不再解释，请自行google。在进行DMA数据传输时，DMA控制器只能对16M的内存进行寻址，所以被迫无奈，只好将这16M的物理内存固定划分给DMA了。

约束二：线性地址有限，无法直接大的物理内存。所以，超出896M的物理内存必须被区别对待。

所以，最终，物理内存被分配成3个管理区：ZONE_DMA，ZONE_NORMAL，ZONE_HIGHMEM。

（4）为什么要使用伙伴系统（Buddy system）算法？

使用伙伴系统的直接目的就是为了防止物理内存“外碎片”的产生。关于外碎片，简而言之就是虽然我们一直分配或者释放连续的内存，但是结果就是我们的内存变得很不连续，充满了大大小小的碎片或者是洞，以至于我们无法再分配足够大的一块连续的内存。（回忆下我们刚才说过的蛋糕的例子）

下面举例说明。假设我们要分配一块256个连续页框的内存。

首先考虑一种不好的分配算法作为对比，例如：将所有的空闲连续页框链在一个链表中，我们在分配空间时选取遇到的第一个大于256个连续页框（这个可能很随机，可能是1024个页框，也可能是512个，也可能恰好是256个；而且我们不能奢望在链表的开头遇到大于256个的连续页框，如果链表很长。。。Orz）。假设我们遇到了空闲的1024个页框。这时候我们面临两个选择：

    （a）把这1024个页框都分配出去。这显然是一种巨大的浪费。

    （b）把这1024个页框切开，将256个连续页框脱离链表，然后链表上剩下了768个连续页框的块。这其实和外碎片没有什么区别（因为链表后面很可能有更适合256的连续页框，比如257个或者258个连续页框），最终会导致这个链表被分割的乱七八糟，以至于再也找不到一块合适的连续空间。

（5）伙伴系统

所以，Linux使用了著名的伙伴系统来处理这个问题。那么下面用实例说明伙伴系统是如何改进的。最后我们再总结一下伙伴系统的思想。

伙伴系统的基础是11个连续页框链表，第一个链表上只存储所有空闲的1个页框，第二个链表上只储存所有空闲的2个连续页框，以此类推。这11个链表将不同大小的连续内存块链在不同的链表上，这首先节省了遍历一个很长的链表的时间，可是使我们直奔最符合需求的连续内存。如果是需要256个连续页框，我们可以直接找到第9个链表，取出一个即可。但又出现了几个问题：（q1）如果我们需要254个连续页框呢？（q2）如果我们已经没有了256个的连续页框，即256个连续页框的链表已经空了呢？

下面介绍如何妥善处理剩余部分，也就是解决问题q1。我们只需要254个连续页框时，我们把这个256个连续页框从链表上切除，但是只分配出去254个页框，剩余的两个连续页框链入属于它的链表，也就是存储所有两个连续页框的链表。这样我们看到，我们一个页框都没有浪费。

有人可能会问，如果需要258个连续页框怎么办（258>256）？这个问题其实与q1等价，但是此时最符合需求的是512个连续页框，但是剩下的部分只是要切割多次。但我们无需证明最后一个页框都不会浪费（因为至少最后都会链到1个页框的链表里）。q2其实与这种情况很类似，仍然要去更大的一级链表中寻找。

那么伙伴系统与开始介绍的那种不好的算法到底有什么本质区别呢？

简而言之，伙伴系统直奔最符合需求的连续内存，然后它妥善的处理了剩余部分。首先我们使用了空间换时间的算法：维护这11个块链表的开销，相对于一个好的内存分配算法根本算不上什么。其次，伙伴系统是类似“贪心”的。它寻找当前认为最好的。最后，它把分配后剩余的部分妥善的移动到它们最应该去的地方。

（6）使用的函数

分配：alloc_pages()/alloc_page()/__alloc_pages()

释放：__free_pages()/free_pages()/free_page()

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下面插入两个概念，内存区（memory area）与内碎片。内存区这个词很容易让人产生误会，它不是指整个内存，而是指连续的任意长度的物理内存区。而内碎片是相对于外碎片讲的，外碎片是以页框为单位的，在页框之外；而内碎片就是在页框内部的碎片。产生内碎片的原因其实与外碎片一致：虽然我们所有的分配和释放都是连续的，但最后结果却是不连续的物理内存。

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（7）为什么要使用slab分配器？

我们先不管slab是什么，先考虑为什么要使用它：它的出现就是为了解决内碎片的问题。

当然，有人肯定会想，使用伙伴系统解决内碎片不是一样么？只不过把单位从页框改为字节。

早期Linux确实是这么做的。但是遇到了一些问题（详见《深入》p.324），以我的理解就是：当分配和释放的粒度变细时，被迫需要考虑更多的因素，比如说需要考虑到数据类型。所以伙伴系统在处理内碎片时效率并不是最好的。

于是采用了具有面向对象思想（考虑到数据类型，就已经是一种面向对象的思想了）的slab系统。

（8）slab系统的思想的。。。呃 猜测

这里，限于篇幅和个人能力有限，就不详细介绍slab系统了。我的理解是：slab系统提供了一种快速查找并分配特定类型的数据（面向对象）的细粒度连续内存空间的方法。因为它使用了下图所示的这种层级结构，让我不由得联想到了数据结构中的B树（B树也是用来快速查找，减少树的层数的，当然也付出了一定的空间复杂度；当然我还不知道我这种联想合理不合理）。

（9）slab所使用的函数

分配和释放slab：kmem_cache_alloc()/kmem_cache_free()

分配和释放对象：kmalloc()/kfree()。

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参考资料：

这里有一篇IBM关于slab的技术文章：Linux slab 分配器剖析。