Linux分區頁框分配器

我們現在知道物理內存是以頁框為最小單位存在的，那麼內核中分配頁框的方法是什麼呢？

分區頁框分配器

頁框分配在內核裡的機制我們叫做分區頁框分配器(zoned page frame allocator)，在linux系統中，分區頁框分配器管理著所有物理內存，無論你是內核還是進程，都需要請求分區頁框分配器，這時才會分配給你應該獲得的物理內存頁框。當你所擁有的頁框不再使用時，你必須釋放這些頁框，讓這些頁框回到管理區頁框分配器當中。

有時候目標管理區不一定有足夠的頁框去滿足分配，這時候系統會從另外兩個管理區中獲取要求的頁框，但這是按照一定規則去執行的，如下：

• 如果要求從DMA區中獲取，就只能從ZONE_DMA區中獲取。

• 如果沒有規定從哪個區獲取，就按照順序從 ZONE_NORMAL -> ZONE_DMA 獲取。

• 如果規定從HIGHMEM區獲取，就按照順序從 ZONE_HIGHMEM -> ZONE_NORMAL -> ZONE_DMA 獲取。

其函數接口

內核中根據不同的分配需求有6個函數接口來請求頁框，最終都會調用到__alloc_pages_nodemask。

可以看頁框分配器的核心函數是__alloc_pages_nodemask，在講這個函數之前我們先看下兩個標誌：

• gfp_mask

1. __GFP_DMA：請求在ZONE_DMA區域中分配頁面；

2. __GFP_HIGHMEM：請求在ZONE_HIGHMEM區域中分配頁面；

3. __GFP_MOVABLE：ZONE_MOVALBE可用時在該區域分配頁面，同時表示頁面分配後可以在內存壓縮時進行遷移，也能進行回收；

4. __GFP_RECLAIMABLE：請求分配到可恢復頁面；

5. __GFP_HIGH：高優先級處理請求；

6. __GFP_IO：請求在分配期間進行 I/O 操作；

7. __GFP_FS：請求在分配期間進行文件系統調用；

8. __GFP_ZERO：請求將分配的區域初始化為 0；

9. __GFP_NOFAIL：不允許請求失敗，會無限重試；

10. __GFP_NORETRY：請求不重試內存分配請求；

• alloc_flags

1. ALLOC_WMARK_MIN：僅在最小水位water mark及以上限制頁面分配；

2. ALLOC_WMARK_LOW：僅在低水位water mark及以上限制頁面分配；

3. ALLOC_WMARK_HIGH：僅在高水位water mark及以上限制頁面分配；

4. ALLOC_HARDER：努力分配，一般在gfp_mask設置了__GFP_ATOMIC時會使用；

5. ALLOC_HIGH：高優先級分配，一般在gfp_mask設置了__GFP_HIGH時使用；

6. ALLOC_CPUSET：檢查是否為正確的 cpuset；

7. ALLOC_CMA：允許從 CMA 區域進行分配；

__alloc_pages_nodemask

struct page *
__alloc_pages_nodemask(gfp_t gfp_mask, unsigned int order, int preferred_nid,
nodemask_t *nodemask)
{
page = get_page_from_freelist(alloc_mask, order, alloc_flags, &ac);//fastpath分配頁面：從pcp(per_cpu_pages)和夥伴系統中正常的分配內存空間
......
page = __alloc_pages_slowpath(alloc_mask, order, &ac);//slowpath分配頁面：如果上面沒有分配到空間，調用下面函數慢速分配，允許等待和回收
......
}


在頁面分配時，有兩種路徑可以選擇，如果在快速路徑中分配成功了，則直接返回分配的頁面；快速路徑分配失敗則選擇慢速路徑來進行分配。總結如下：

• 正常分配（或叫快速分配）：

1. 如果分配的是單個頁面，考慮從per CPU緩存中分配空間，如果緩存中沒有頁面，從夥伴系統中提取頁面做補充。

2. 分配多個頁面時，從指定類型中分配，如果指定類型中沒有足夠的頁面，從備用類型鍊表中分配。最後會試探保留類型鍊表。

• 慢速（允許等待和頁面回收）分配：

1. 當上面兩種分配方案都不能滿足要求時，考慮頁面回收、殺死進程等操作後在試。