Linux分区页框分配器

我们现在知道物理内存是以页框为最小单位存在的，那么内核中分配页框的方法是什么呢？

分区页框分配器

页框分配在内核里的机制我们叫做分区页框分配器(zoned page frame allocator)，在linux系统中，分区页框分配器管理着所有物理内存，无论你是内核还是进程，都需要请求分区页框分配器，这时才会分配给你应该获得的物理内存页框。当你所拥有的页框不再使用时，你必须释放这些页框，让这些页框回到管理区页框分配器当中。

有时候目标管理区不一定有足够的页框去满足分配，这时候系统会从另外两个管理区中获取要求的页框，但这是按照一定规则去执行的，如下：

• 如果要求从DMA区中获取，就只能从ZONE_DMA区中获取。
• 如果没有规定从哪个区获取，就按照顺序从 ZONE_NORMAL -> ZONE_DMA 获取。
• 如果规定从HIGHMEM区获取，就按照顺序从 ZONE_HIGHMEM -> ZONE_NORMAL -> ZONE_DMA 获取。

其函数接口

内核中根据不同的分配需求有6个函数接口来请求页框，最终都会调用到__alloc_pages_nodemask。

可以看页框分配器的核心函数是__alloc_pages_nodemask，在讲这个函数之前我们先看下两个标志：

• gfp_mask

1. __GFP_DMA：请求在ZONE_DMA区域中分配页面；
2. __GFP_HIGHMEM：请求在ZONE_HIGHMEM区域中分配页面；
3. __GFP_MOVABLE：ZONE_MOVALBE可用时在该区域分配页面，同时表示页面分配后可以在内存压缩时进行迁移，也能进行回收；
4. __GFP_RECLAIMABLE：请求分配到可恢复页面；
5. __GFP_HIGH：高优先级处理请求；
6. __GFP_IO：请求在分配期间进行 I/O 操作；
7. __GFP_FS：请求在分配期间进行文件系统调用；
8. __GFP_ZERO：请求将分配的区域初始化为 0；
9. __GFP_NOFAIL：不允许请求失败，会无限重试；
10. __GFP_NORETRY：请求不重试内存分配请求；

• alloc_flags

1. ALLOC_WMARK_MIN：仅在最小水位water mark及以上限制页面分配；
2. ALLOC_WMARK_LOW：仅在低水位water mark及以上限制页面分配；
3. ALLOC_WMARK_HIGH：仅在高水位water mark及以上限制页面分配；
4. ALLOC_HARDER：努力分配，一般在gfp_mask设置了__GFP_ATOMIC时会使用；
5. ALLOC_HIGH：高优先级分配，一般在gfp_mask设置了__GFP_HIGH时使用；
6. ALLOC_CPUSET：检查是否为正确的 cpuset；
7. ALLOC_CMA：允许从 CMA 区域进行分配；

__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分配页面：从pcp(per_cpu_pages)和伙伴系统中正常的分配内存空间
  ......
  page = __alloc_pages_slowpath(alloc_mask, order, &ac);//slowpath分配页面：如果上面没有分配到空间，调用下面函数慢速分配，允许等待和回收
  ......
}

在页面分配时，有两种路径可以选择，如果在快速路径中分配成功了，则直接返回分配的页面；快速路径分配失败则选择慢速路径来进行分配。总结如下：

• 正常分配（或叫快速分配）：

1. 如果分配的是单个页面，考虑从per CPU缓存中分配空间，如果缓存中没有页面，从伙伴系统中提取页面做补充。
2. 分配多个页面时，从指定类型中分配，如果指定类型中没有足够的页面，从备用类型链表中分配。最后会试探保留类型链表。

• 慢速（允许等待和页面回收）分配：

1. 当上面两种分配方案都不能满足要求时，考虑页面回收、杀死进程等操作后在试。