Linux物理內存管理概述

在內核態申請內存比在用戶態申請內存要更爲直接，它沒有采用用戶態那種延遲分配內存技術。內核認爲一旦有內核函數申請內存，那麼就必須馬上知足該申 請內存的請求，而且這個請求必定是正確合理的。相反，對於用戶態申請內存的請求，內核老是儘可能延後分配物理內存，用戶進程老是先得到一個虛擬內存區的使用 權，最終經過缺頁異常得到一塊真正的物理內存。

1.物理內存的內核映射

IA32架構中內核虛擬地址空間只有1GB大小（從3GB到4GB），所以能夠直接將1GB大小的物理內存（即常規內存）映射到內核地址空間，但超出1GB大小的物理內存（即高端內存）就不能映射到內核空間。爲此，內核採起了下面的方法使得內核可使用全部的物理內存。

1.高端內存不能所有映射到內核空間，也就是說這些物理內存沒有對應的線性地址。不過，內核爲每一個物理頁框都分配了對應的頁框描述符，全部的頁框描 述符都保存在mem_map數組中，所以每一個頁框描述符的線性地址都是固定存在的。內核此時可使用alloc_pages()和 alloc_page()來分配高端內存，由於這些函數返回頁框描述符的線性地址。

2.內核地址空間的後128MB專門用於映射高端內存，不然，沒有線性地址的高端內存不能被內核所訪問。這些高端內存的內核映射顯然是暫時映射的， 不然也只能映射128MB的高端內存。當內核須要訪問高端內存時就臨時在這個區域進行地址映射，使用完畢以後再用來進行其餘高端內存的映射。

因爲要進行高端內存的內核映射，所以直接可以映射的物理內存大小隻有896MB，該值保存在high_memory中。內核地址空間的線性地址區間以下圖所示：

從圖中能夠看出，內核採用了三種機制將高端內存映射到內核空間：永久內核映射，固定映射和vmalloc機制。

2.物理內存管理機制

基於物理內存在內核空間中的映射原理，物理內存的管理方式也有所不一樣。內核中物理內存的管理機制主要有夥伴算法，slab高速緩存和vmalloc 機制。其中夥伴算法和slab高速緩存都在物理內存映射區分配物理內存，而vmalloc機制則在高端內存映射區分配物理內存。

夥伴算法

夥伴算法負責大塊連續物理內存的分配和釋放，以頁框爲基本單位。該機制能夠避免外部碎片。

per-CPU頁框高速緩存

內核常常請求和釋放單個頁框，該緩存包含預先分配的頁框，用於知足本地CPU發出的單一頁框請求。

slab緩存

slab緩存負責小塊物理內存的分配，而且它也做爲高速緩存，主要針對內核中常常分配並釋放的對象。

vmalloc機制

vmalloc機制使得內核經過連續的線性地址來訪問非連續的物理頁框，這樣能夠最大限度的使用高端物理內存。

3.物理內存的分配

內核發出內存申請的請求時，根據內核函數調用接口將啓用不一樣的內存分配器。

3.1 分區頁框分配器

分區頁框分配器 (zoned page frame allocator) ,處理對連續頁框的內存分配請求。分區頁框管理器分爲兩大部分:前端的管理區分配器和夥伴系統，以下圖：

管理區分配器負責搜索一個能知足請求頁框塊大小的管理區。在每一個管理區中,具體的頁框分配工做由夥伴系統負責。爲了達到更好的系統性能,單個頁框的申請工做直接經過per-CPU頁框高速緩存完成。

該分配器經過幾個函數和宏來請求頁框,它們之間的封裝關係以下圖所示。

這些函數和宏將核心的分配函數__alloc_pages_nodemask()封裝,造成知足不一樣分配需求的分配函數。其中，alloc_pages()系列函數返回物理內存首頁框描述符，__get_free_pages()系列函數返回內存的線性地址。

3.2 slab分配器

slab 分配器最初是爲了解決物理內存的內部碎片而提出的，它將內核中經常使用的數據結構看作對象。slab分配器爲每一種對象創建高速緩存。內核對該對象的分配和釋放均是在這塊高速緩存中操做。一種對象的slab分配器結構圖以下：

能夠看到每種對象的高速緩存是由若干個slab組成，每一個slab是由若干個頁框組成的。雖然slab分配器能夠分配比單個頁框更小的內存塊，但它所需的全部內存都是經過夥伴算法分配的。

slab高速緩存分專用緩存和通用緩存。專用緩存是對特定的對象，好比爲內存描述符建立高速緩存。通用緩存則是針對通常狀況，適合分配任意大小的物理內存，其接口即爲kmalloc()。

3.3 非連續內存區內存的分配

內核經過vmalloc()來申請非連續的物理內存，若申請成功，該函數返回連續內存區的起始地址，不然，返回NULL。vmalloc()和 kmalloc()申請的內存有所不一樣，kmalloc()所申請內存的線性地址與物理地址都是連續的，而vmalloc()所申請的內存線性地址連續而 物理地址則是離散的，兩個地址之間經過內核頁表進行映射。

vmalloc()的工做方式理解起來很簡單：

1.尋找一個新的連續線性地址空間；

2.依次分配一組非連續的頁框；

3.爲線性地址空間和非連續頁框創建映射關係，即修改內核頁表；

vmalloc()的內存分配原理與用戶態的內存分配類似，都是經過連續的虛擬內存來訪問離散的物理內存，而且虛擬地址和物理地址之間是經過頁表進 行鏈接的，經過這種方式能夠有效的使用物理內存。可是應該注意的是，vmalloc()申請物理內存時是當即分配的，由於內核認爲這種內存分配請求是正當 並且緊急的；相反，用戶態有內存請求時，內核老是儘量的延後，畢竟用戶態跟內核態不在一個特權級。

後記：本文將Linux內核中物理內存管理這部份內容進行框架性總結，對內存管理感興趣的同窗能夠從夥伴算法，slab和vmalloc()三個角度去了解和學習物理內存管理。