深入理解 Linux 内核内存管理：Buddy System 与 Slab 分配器的设计与实现

一、引言

Linux 内核的内存管理是操作系统中最复杂、最核心的子系统之一。它不仅负责物理内存的分配与回收，还要在性能、碎片、延迟之间做出精妙的平衡。本文将深入剖析 Linux 内核中两大核心分配器——Buddy System（伙伴系统）和 Slab Allocator，揭示它们的设计哲学、实现原理和工程实践。

二、Buddy System（伙伴系统）

2.1 设计哲学

Buddy System 采用分治策略：将物理内存按 2 的幂次划分为页面块（page block）。初始时，所有页面都在最大的块中。当需要分配 N 个页面时，系统从合适的阶（order）中取出一个块。如果该阶没有空闲块，就从更大的阶中分裂出一半。释放时，如果相邻的"伙伴"块也是空闲的，就合并成更大的块。

2.2 数据结构

struct free_area {
    struct free_list free_list[MIGRATE_TYPES];
    unsigned long    nr_free;
};

struct zone {
    struct free_area free_area[MAX_ORDER];
    // ...
};

每个内存区域（zone）维护一个 free_area 数组，大小通常为 MAX_ORDER=11，对应页面数 1, 2, 4, 8, ..., 1024（即 4KB ~ 4MB）。每个 free_area 内又按迁移类型（migrate type）细分，这是 Linux 内核对抗外部碎片的关键创新。

2.3 分配流程

以 alloc_pages(gfp_mask, order) 为例：

1. 快速路径：调用 __alloc_pages_nodemask()，先尝试从 pcper-cpu 高速缓存（page allocator hot path）中分配，这是 per-cpu 的 1-2 页小对象缓存。
2. 慢速路径：若快速路径失败，进入伙伴系统核心：从当前 order 对应的 free_list 取块；若空，向更大 order 请求并递归分裂。
3. 直接回收：若分配失败且允许 (__GFP_RECLAIM)，触发页面回收（kswapd 或直接 reclaim）。
4. OOM Killer：回收仍不足且设置了 __GFP_OOM，触发 OOM Kill 选择进程终止释放内存。

2.4 页面迁移类型（Migrate Types）

Linux 内核将 free_list 按迁移类型分区，从源头减少碎片：

• MIGRATE_UNMOVABLE：内核数据结构（页表、inode、dentry 等不可移动）。
• MIGRATE_MOVABLE：用户空间页面、可缓存内容（可回收）。
• MIGRATE_RECLAIMABLE：内核可回收对象（slab 缓存），不可移动但可以释放。
• MIGRATE_ISOLATE：用于热插拔和 compaction 期间的页面隔离。
• MIGRATE_CMA：连续内存分配器，为 GPU/DMA 保留大块连续物理内存。

2.5 外部碎片问题

伙伴系统保证分配出 2^order 大小的连续物理块，但长期运行后会产生外部碎片：虽然总空闲内存足够，但没有足够大的连续块。一个典型场景是频繁分配/释放不同 order 的页面后，小块散落各处无法合并。

三、页面压缩（Page Compaction）

3.1 原理

Linux 2.6.38 引入了页面压缩机制，由 kcompactd 内核线程异步运行。核心思想是在 MOVABLE 区域中，将可移动的页面集中到一个子区域，从而腾出大块连续物理内存。

// 简化逻辑
for each pageblock {
    if (all pages movable in this block)
        mark it as source
    if (all pages free in this block)
        mark it as target
}
// 迁移 source → target，释放连续大块

3.2 触发条件与调优参数

• /proc/sys/vm/compaction_proactiveness：主动压缩的激进程度（0-100, 默认 20）。
• /proc/extfrag/unusable_index：每个 order 的不可用碎片指数，越低说明碎片越严重。
• /sys/kernel/mm/compaction/：手动触发 echo 1