物理内存的管理

在内核初始化完成后，内存管理的责任由伙伴系统承担。

1 伙伴系统的结构

系统内存中的每个物理内存页（页桢），都对应于一个struct page。每个内存域关联一个struct zone，其中保存了用于管理伙伴数据的主要数组。

struct zone{

      ...

      struct free_area free_area[MAX_ORDER];

      ...

};

struct free_area{

    struct list_head free_list[MIGRATE_TYPES];

    unsigned long nr_free;

};

阶是伙伴系统中一个重要术语，它描述了内存分配的数量单位。内存块的长度为2的order（阶）次方。该常数通常设置为11，这意味着一次分配可以请求的页数最大是2的11次方（2048），IA-64或许大一些，ARM或许小一些。

free_area[]数组中各个元素的索引就解释为阶，用于指定对应链表中的连续内存区包含多少个页桢，简单的说，就是第0个链表代表第一阶，内存区为单页，第一个链表代表第一阶内存区为2的1次方为2页，以此类推。

每个内存区又是如何连接的呢？内存区的第一个页内的链表元素就干这件事，它将内存区维持在链表中。

伙伴不必是彼此连接的。如果在一个内存区在分配期间，内核把一半占用了，另一半加到了链表中，如果在未来的模个时刻，由于内存释放的缘故，两个内存区都为空闲，可通过地址判断是不是伙伴。

如果内存分配请求超出内存域或者结点，那么要首先尝试另一个内存域，接下来是下一个结点。从小范围到大范围尝试，知道满足。

有关伙伴系统的信息可以通过下面方式获得

chechunli@chechunli-desktop:~ $ cat /proc/buddyinfo 

Node 0, zone      DMA     56     12      7      5      6      4      2      2      1      0      1 

Node 0, zone   Normal    693    306     67     34     12      9     11     20     20      1      0 

Node 0, zone  HighMem    519     94     13      3      2      0      2      0      1      0      0 

上述输出给出了各个内存域中每个分配阶中空闲项的数目，从左到右，阶依次升高。

2 释放页

__free_pages是一个基础函数，用于实现内核API中所有涉及内存释放的函数。

__free_pages

    |->是否为单页 --是-->free__hot_page

          |--否-->__free_pages_ok->__free_one_pages

释放时候，首先判断释放的内存是否为单页，要是单页的话，直接释放到per-CPU缓存中，对很可能出现在CPU高速缓存的页，则放置到热页列表中。如果per-CPU中的页数超过了自己所能容纳的数量，则释放一部分，还给伙伴系统，这个策略称为惰性合并，这样避免了单页返回给系统，系统合并，然后再拆分的麻烦。惰性合并阻止了大量白费的时间浪费。要是多于一页，则放回伙伴系统。

3 内核中不连续页的分配

我们知道连续的映射对内核是最好的，但并不总能成功的使用，在分配一大块内存时，可能竭尽全力也无法找到连续的内存块。在用户空间不存在这样的问题，因为普通进程设计为使用处理器的分页机制，当然这会降低速度并占用TLB。

内核中也可以这样实现，内核分配了虚拟地址空间的一部分，用于建立连续映射。在不连续的地址空间中就是这样实现的，vmalloc区就是虚拟地址空间。vmalloc是一个管理不连续内存的区域。