Linux Kernel 内存管理机制

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Linux Kernel 記憶體管理機制之美

Linux Kernel 的穩定，有一部份可以歸功於它優良的記憶體管理機制，而探討該機制，有助於瞭解記憶體是如何被 Kernel 所使用，對開發 Linux Driver 的人來說，日後更有許多益處。最重要的是，Linux Kernel 之美是由此開始，優美的設計相當令人著迷。

Linux Kernel 的記憶體管理機制，主要由兩大部份組成：

• Buddy System
• Slab Allocator
  

Buddy System(buddy allocator)

如 一般的 Operating System Design，Linux Kernel 一樣是以 Page 為記憶體管理的單位，因此設計了一層針對 page（或稱分頁）的管理機制，該機制在 Linux Kernel 裡被稱為『Buddy System (buddy allocator，簡稱 buddy)』，buddy 是 Kernel 最底層的記憶體管理機制，日後所有的記憶體配置，最後都要經過 buddy 才能取得或釋放記憶體。

可以藉由觀察當前 /proc/buddyinfo ，了解目前的記憶體使用情況，當然，是以 page 為單位：

$ cat /proc/buddyinfo
Node 0, zone      DMA     76     71     66     50     33     17      5      1      1      1      0
Node 0, zone   Normal  22301   6425     45      0      1      1      1      1      1      1      0
Node 0, zone  HighMem     97     13      6     10      3      0      2      0      0      0      0

如果沒有什麼意外，/proc/buddyinfo 列會出了三個 zone ，分別是 DMA、Normal、HighMem，這三種 zone 的分類，是以 Physical Memory 位置的範圍而區分，在 IA-32 架構上 為：

• DMA (16MB以下)
• Normal (16MB~896MB)
• HighMem (896MB以上)

不 過，由於 Buddy System 是一個很抽象且基礎的機制，對一般的 Driver 開發來說，並不是非常好用，而且，對習慣 C 語言的開發者來說，是相當不合情理的存在。體會一下這樣奇怪的習慣：透過 buddy 的 __get_free_pages() 和 free_pages() 等 functions 取得的記憶體，是以 page 為單位來計算（在 IA-32 上大小為 4096 bytes），而不是使用以 1 byte 為單位來配置。

但是，並非不能直接使用 buddy 提供的 functions 做 Linux Driver 的開發，而是有相當的困難性（如果你想全程使用，請先讓小弟尊稱您一下牛人 :P）。一個最簡單可能發生的例子，就是不當使用 page （一個單位數量）的記憶體，易造成記憶體的浪費和 fragmentation。所以，對一般 Driver 的開發者，除非必要，其實不應該要負責處理這樣低階的記憶體問題。

Slab Allocator

有鑑於此，Linux Kernel 就在 buddy 之上，更進一步設計了『智慧型』機制 -『Slab Allocator(簡稱 Slab)』，來確保記憶體分頁的配置效率和完整性，也使其他開發者有更好的 API 和機制可以操作記憶體。

Slab 算是 Kernel 裡最早的一種演算法，事實上，除了 Slab 之外，Linux Kernel 已經實作出數種演算法，以優化記憶體的配置機制。前面提到，Kernel 的底層是以 page 為記憶體配置的單位，因此，哪怕只是需要 1 Byte 的空間，都會佔用一個 page，所以良好的 Slab 演算法，才能盡可能避免記憶體浪費和破碎的問題。截至目前為止，Linux Kernel 所支援的演算法，除 Slab 外另有：

• SLOB Allocator
  
• SLUB Allocator

此外，雖演算法不同，習慣上，在 Linux Kernel 裡還是統稱為『Slab Allocator』，沿用舊有的稱呼以表示該層級的記憶體管理機制。

* 註：Linux Kernel 2.6.23 之後已改用 SLUB 當做預設演算法。

Slab Allocator 實作了一個 cache 的架構（這裡的 cache 並非意指快取），對系統程式下的記憶體需求群組化，以達到管理的目的。一般的程式可以藉由向 Slab 註冊 cache，以得到記憶體的配置。

要知道目前系統上有那些 cache 在使用，可以查看 /proc/slabinfo，亦或者可用指令工具 slabtop 查看。

$ slabtop
Active / Total Objects (% used)    : 858912 / 913334 (94.0%)
Active / Total Slabs (% used)      : 34472 / 34472 (100.0%)
Active / Total Caches (% used)     : 91 / 151 (60.3%)
Active / Total Size (% used)       : 124788.54K / 129749.01K (96.2%)
Minimum / Average / Maximum Object : 0.01K / 0.14K / 4096.00K

 OBJS ACTIVE  USE OBJ SIZE  SLABS OBJ/SLAB CACHE SIZE NAME                 
599140 599140 100%    0.13K  20660       29     82640K dentry
174267 134508  77%    0.05K   2601       67     10404K buffer_head
62448  62337  99%    0.48K   7806        8     31224K ext3_inode_cache
20527  13331  64%    0.28K   1579       13      6316K radix_tree_node
 9706   7895  81%    0.08K    211       46       844K vm_area_struct
 7980   7779  97%    0.04K     95       84       380K sysfs_dir_cache
 7345   7100  96%    0.03K     65      113       260K size-32
 6372   5440  85%    0.06K    108       59       432K size-64
 5040   4521  89%    0.19K    252       20      1008K filp
 4318   3873  89%    0.01K     17      254        68K anon_vma
 2576   2546  98%    0.04K     28       92       112K Acpi-Operand
 1859   1756  94%    0.02K     11      169        44K Acpi-Namespace
  945    924  97%    0.43K    105        9       420K shmem_inode_cache
  780    610  78%    0.12K     26       30       104K size-96
  744    688  92%    0.50K     93        8       372K size-512
  737    710  96%    0.35K     67       11       268K proc_inode_cache
  648    130  20%    0.05K      9       72        36K journal_head
  572    285  49%    0.33K     52       11       208K inode_cache
  493    476  96%    0.13K     17       29        68K idr_layer_cache
  470    443  94%    0.38K     47       10       188K sock_inode_cache
  405    405 100%    0.44K     45        9       180K UNIX
  384    357  92%    1.00K     96        4       384K size-1024
  280    180  64%    0.19K     14       20        56K skbuff_head_cache
  254      2   0%    0.01K      1      254         4K revoke_table
  240    240 100%    0.12K      8       30        32K size-128
  234    192  82%    0.05K      3       78        12K task_delay_info
  203    121  59%    0.02K      1      203         4K biovec-1
  203      3   1%    0.02K      1      203         4K fasync_cache
  203      4   1%    0.02K      1      203         4K revoke_record
  184    138  75%    0.04K      2       92         8K inotify_watch_cache
  180    180 100%    0.19K      9       20        36K size-192

* 註：kmalloc() 所取得的記憶體，會以『size-*』的名稱存在。

當然不止如此，Linux 的記憶體管理還包括例外的特殊管道，如 vmalloc() 等，此外，Kernel Stack 也是一個很重要的機制，可惜短短篇幅無法一下說明完整，日後有時間再行補上。