Linux 内核内存管理基石：页面分配器（Page Allocator）深度解析
Linux 内核的内存管理是操作系统高效运行的核心，而页面分配器（Page Allocator）则是其基石。它负责管理物理内存页面（通常为 4KB 大小）的分配和释放，使用Buddy 系统（Buddy Allocator）作为核心算法，确保高效、快速地响应内核和用户空间的内存需求。 页面分配器处理从单个页面到连续大块内存的分配，支持 NUMA 架构、内存碎片化防控，并与 SLAB/SLUB 等对象分配器协作，形成完整的内存管理生态。
本文将从基础概念入手，逐步深入其工作原理、分配流程、优化机制和常见问题。基于 Linux 内核 6.x 版本（知识更新至 2026 年），结合官方文档和实践经验进行解析。
1. 基础概念：内存层次结构
Linux 将物理内存抽象为多层结构，以适应不同硬件（如 x86、ARM）和使用场景：
- 页面（Page）：最小分配单元，通常 4KB（可配置为 2MB 或更大）。每个页面由
struct page表示，包含引用计数、标志位等元数据。 - 节点（Node）：NUMA 系统中的物理内存组（pg_data_t）。每个节点有多个 Zone。
- 区（Zone）：内存区域，根据硬件限制划分。主要类型包括：
- ZONE_DMA：用于 DMA 设备（<16MB）。
- ZONE_DMA32：32 位地址空间（<4GB）。
- ZONE_NORMAL：常规内存。
- ZONE_HIGHMEM：高内存（x86 32 位系统特有）。
- ZONE_MOVABLE：可迁移内存（用于热插拔）。
- 迁移类型（Migrate Types）：页面分类，防止碎片化。主要有 MIGRATE_UNMOVABLE（不可迁移，如内核结构）、MIGRATE_MOVABLE（可迁移，如用户页）和 MIGRATE_RECLAIMABLE（可回收）。
快速对比表：常见 Zone 类型
| Zone 类型 | 地址范围（典型 x86） | 主要用途 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| ZONE_DMA | 0~16MB | 旧 DMA 设备 | 嵌入式/旧硬件 |
| ZONE_DMA32 | 0~4GB | 32 位 DMA 设备 | 64 位系统兼容 |
| ZONE_NORMAL | 4GB+ | 内核/用户常规分配 | 通用 |
| ZONE_HIGHMEM | 896MB+ (32 位) | 用户空间高内存 | 32 位系统 |
| ZONE_MOVABLE | 可配置 | 可热迁移内存 | 虚拟化/碎片防控 |
页面分配器在每个 Zone 内维护 Buddy 系统，跟踪空闲页面。
2. Buddy 系统：核心分配算法
Buddy 系统是一种二进制伙伴算法，将内存分成 2^n 页面大小的块（Order 0: 1 页；Order 1: 2 页；…；MAX_ORDER: 通常 11，即 4MB）。 它通过空闲列表（free_area[MAX_ORDER]）管理连续空闲块：
- 分配过程：请求 Order k 的块时，从对应列表取块。若无，从更高 Order 分割（分裂为两个“伙伴”），一个分配，一个加入低 Order 列表。
- 释放过程：释放块时，检查其伙伴是否空闲。若是，合并成更高 Order 块，减少碎片。
- 优点：快速（O(log N)）、低碎片（伙伴合并高效）。
- 数据结构：每个 Zone 有
struct free_area free_area[MAX_ORDER]，内含迁移类型列表（free_list[MIGRATE_TYPES]）。
示例：假设请求 4 页（Order 2）。若 Order 2 无空闲，从 Order 3 分割 8 页块成两个 4 页块，一个分配，一个加入 Order 2 列表。
3. 分配流程：从 API 到底层
页面分配的主要入口是 alloc_pages(gfp_mask, order)，它调用 __alloc_pages()（页面分配器的“心脏”）。
- GFP 标志（gfp_mask）：控制分配行为，如 GFP_KERNEL（可睡眠）、GFP_ATOMIC（原子上下文，不可睡眠）、GFP_HIGHUSER（用户空间高优先级）。
- 步骤：
- 检查 Per-CPU 缓存（快速路径）：每个 CPU 有本地页面缓存（per_cpu_pageset），避免全局锁。
- 若缓存空，从 Zone 的 Buddy 系统分配（慢路径）：使用
__rmqueue()从 free_list 取块。 - 若失败，触发内存回收（reclaim）：唤醒 kswapd 守护进程，回收页面（LRU 算法）。
- 水印检查：低水印（low watermark）触发后台回收，高水印（high watermark）确保缓冲。
- 若仍失败，触发 OOM Killer（Out-Of-Memory），杀死进程释放内存。
水印机制对比表
| 水印类型 | 阈值计算 | 作用 |
|---|---|---|
| Min | pages_min (/proc/sys/vm/min_free_kbytes) | 最低阈值，低于触发 OOM |
| Low | min * 5/4 | 触发 kswapd 后台回收 |
| High | min * 3/2 | 目标阈值，回收停止 |
4. 优化机制：Per-CPU 缓存与反碎片化
- Per-CPU Pages（PCP）：每个 CPU 维护本地空闲页面列表（struct per_cpu_pages），减少争用。批量从 Buddy 系统填充（pcp->batch，通常 31 页）。
- 反碎片化：
- 页面迁移：将可移动页面移出碎片区域，支持 CMA（Contiguous Memory Allocator），用于大块连续分配（如 DMA）。CMA 在引导时预留内存，但允许 movable 页面使用，需时迁移。
- 页面分组（Pageblocks）：按迁移类型分组（默认 512 页），便于 compaction（内存整理守护进程 kcompactd）。
- THP（Transparent Huge Pages）：自动使用 2MB 巨大页，减少 TLB 开销，但可能加剧碎片。
5. 与其他分配器的关系
页面分配器是底层，提供大块页面；上层有：
- SLAB/SLUB/SLOB：对象分配器，用于小对象（如结构体）。SLUB 是默认，基于页面缓存对象。
- vmalloc：非连续虚拟内存分配，用于模块或大缓冲。
SLUB 与 Page Allocator 交互表
| 组件 | 作用 | 与 Page Allocator 关系 |
|---|---|---|
| kmem_cache | 对象缓存（如 task_struct） | 从页面分配器取页面构建 slab |
| cpu_slab | Per-CPU 缓存 | 快速分配，避免全局锁 |
| node_slab | Per-Node 共享 | 回退路径，从页面取块 |
6. 常见问题与调试
- 碎片化：长期运行导致高 Order 分配失败。监控
/proc/buddyinfo，使用echo 1 > /proc/sys/vm/compact_memory手动 compaction。 - OOM：内存耗尽时触发。调整
/proc/sys/vm/overcommit_memory（过量分配策略）。 - 调试工具：
/proc/meminfo、vmstat、slabtop；内核参数如page_owner=on跟踪分配者。 - 性能瓶颈：在高负载下，锁争用（zone->lock）。NUMA 系统使用 node-local 分配优化。
页面分配器体现了 Linux “一切皆页面”的哲学，确保内存高效利用。 如果你对特定版本（如 5.x vs 6.x）或代码片段感兴趣，或者想讨论实际调优案例，随时告诉我！
