图解｜Linux内存碎片整理

我们知道物理内存是以页为单位进行管理的，每个内存页大小默认是4K（大页除外）。申请物理内存时，一般都是按顺序分配的，但释放内存的行为是随机的。随着系统运行时间变长后，将会出现以下情况：

如上图所示，当用户需要申请地址连续的 3 个内存页时，虽然系统中空闲的内存页数量足够，但由于空闲的内存页相对分散，从而导致分配失败。这些地址不连续的内存页被称为：。

要解决这个问题也比较简单，只需要把空闲的内存块移动到一起即可。如下图所示：

网络上有句很有名的话：理想很美好，现实很骨感。

内存整理也是这样，看起来很简单，但实现起来就不那么简单了。因为在内存整理后，需要修正进程的虚拟内存与物理内存之间的映射关系。如下图所示：

但由于 Linux 内核有个名为内存页反向映射的功能，所以内存整理就变得简单起来。

接下来，我们将会分析内存碎片整理的原理与实现。

内存碎片整理原理

内存碎片整理的原理比较简单：在内存碎片整理开始前，会在内存区的头和尾各设置一个指针，头指针从头向尾扫描可移动的页，而尾指针从尾向头扫描空闲的页，当他们相遇时终止整理。下面说说内存随便整理的过程（原理参考了内核文档）：

初始时内存状态：

在上图中，白色块表示空闲的内存页，而红色块表示已分配出去的内存页。在初始状态时，内存中存在多个碎片。如果此时要申请 3 个地址连续的内存页，那么将会申请失败。

内存碎片整理扫描开始：

头部指针从头扫描可移动页，而尾部指针从从尾扫描空闲页。在整理时，将可移动页的内容复制到空闲页中。复制完成后，将可移动内存页释放即可。

最后结果：

经过内存碎片整理后，如果现在要申请 3 个地址连续的内存页，就能申请成功了。

内存碎片整理实现

接下来，我们将会分析内存碎片整理的实现过程。

注：本文使用的是 Linux-2.6.36 版本的内存

1. 内存碎片整理时机

当要申请多个地址联系的内存页时，如果申请失败，将会进行内存碎片整理。其调用链如下：

当调用  函数申请多个地址连续的内存页失败时，将会触发调用  函数来进行内存碎片整理。我们来看看  函数的实现：

函数是内存碎片整理的入口，其主要完成 3 个步骤：

先判断申请的内存块是否只有一个内存页，如果是，那么就没有整理碎片的必要（这说明是内存不足，而不是内存碎片导致）。

如果需要进行内存碎片整理，那么调用  函数进行内存碎片整理。

整理完内存碎片后，调用  函数继续尝试申请内存块。

2. 内存碎片整理过程

由于内存碎片整理的具体实现在  函数中进行，所以我们继续来看看  函数的实现：

可以看出， 函数最终会调用  函数来进行内存碎片整理。我们只能进行来分析  函数：

到这里，我们还没有看到内存碎片整理的具体实现（调用链可真深啊 ^_^！）， 函数也是构造了一些参数，然后继续调用  来进行内存碎片整理：

在  函数里，我们终于看到内存碎片整理的逻辑了。 函数主要完成 2 个步骤：

调用  函数收集可移动的内存页列表。

调用  函数将可移动的内存页列表迁移到空闲列表中。

这两个函数非常重要，我们分别来分析它们是怎么实现的。

isolate_migratepages() 函数

函数用于收集可移动的内存页列表，我们来看看其实现：

函数主要完成 5 个步骤，分别是：

扫描内存区所有的内存页（与内存碎片整理原理一致）。

通过内存页的编号获取内存页对象。

判断内存页是否可移动内存页，如果不是可移动内存页，那么就跳过。

将内存页从 LRU 队列中删除，这样可避免被其他进程回收这个内存页。

添加到可移动内存页列表中。

当完成这 5 个步骤后，内核就收集到可移动的内存页列表。

migrate_pages() 函数

函数负责将可移动的内存页列表迁移到空闲列表中，我们来分析一下其实现过程：

函数的逻辑很简单，主要完成 2 个步骤：

遍历可移动内存页列表，这个列表就是通过  函数收集的可移动内存页列表。

调用  函数将可移动内存页迁移到空闲内存页中。

可以看出，具体的内存迁移过程在  函数中实现。我们来看看  函数的实现：

由于  函数的实现比较复杂，所以我们对其进行了简化。可以看出， 函数主要完成 3 个工作：

从内存区中找到一个空闲的内存页。根据内存碎片整理算法，会从内存区最后开始扫描，找到合适的空闲内存页。

由于将可移动内存页迁移到空闲内存页后，进程的虚拟内存映射将会发生变化。所以，这里要调用  函数来解开所有使用了当前可移动内存页的映射。

调用  函数将可移动内存页的数据复制到空闲内存页中。在  函数中，还会重新建立进程的虚拟内存映射，这样使用了当前可移动内存页的进程就能够正常运行。

至此，内存碎片整理的过程已经分析完毕。

不过细心的读者可能发现，在文中并没有分析重新构建虚拟内存映射的过程。是的，因为重新构建虚拟内存映射要涉及到  的知识点，后续的文章会介绍这个知识点，所以这里就不作详细分析了。

总结

从上面的分析可知， 是为了解决：在申请多个地址连续的内存页时，空闲内存页数量充足，但还是分配失败的情况。

但由于内存碎片整理需要消耗大量的 CPU 时间，所以我们在申请内存时，可以通过指定  标志位（不等待）来避免内存碎片整理过程。