Linux页框分配器之内存碎片化整理

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页框分配器在慢速分配中包括内存碎片化整理和内存回收，代码如下：

static inline struct page * 
__alloc_pages_slowpath(gfp_t gfp_mask, unsigned int order, 
      struct alloc_context *ac) 
{ 
  page = __alloc_pages_direct_compact(gfp_mask, order,  
      alloc_flags, ac, 
      INIT_COMPACT_PRIORITY, 
      &compact_result); 
  ...... 
  page = __alloc_pages_direct_reclaim(gfp_mask, order, alloc_flags, ac,  
       &did_some_progress); 
  ...... 
} 

出于篇幅设计，这次我们只讲内存的碎片化整理，下文再讲内存回收。

什么是内存碎片化

Linux物理内存碎片化包括两种：内部碎片化和外部碎片化。

内部碎片化：

指分配给用户的内存空间中未被使用的部分。例如进程需要使用3K bytes物理内存，于是向系统申请了大小等于3Kbytes的内存，但是由于Linux内核伙伴系统算法最小颗粒是4K bytes，所以分配的是4Kbytes内存，那么其中1K bytes未被使用的内存就是内存内碎片。

外部碎片化：

指系统中无法利用的小内存块。例如系统剩余内存为16K bytes，但是这16K bytes内存是由4个4K bytes的页面组成，即16K内存物理页帧号#1不连续。在系统剩余16K bytes内存的情况下，系统却无法成功分配大于4K的连续物理内存，该情况就是内存外碎片导致。

碎片化整理算法

Linux内存对碎片化的整理算法主要应用了内核的页面迁移机制，是一种将可移动页面进行迁移后腾出连续物理内存的方法。

假设存在一个非常小的内存域如下：

蓝色表示空闲的页面，白色表示已经被分配的页面，可以看到如上内存域的空闲页面(蓝色)非常零散，无法分配大于两页的连续物理内存。

下面演示一下内存规整的简化工作原理，内核会运行两个独立的扫描动作：第一个扫描从内存域的底部开始，一边扫描一边将已分配的可移动(MOVABLE)页面记录到一个列表中：

另外第二扫描是从内存域的顶部开始，扫描可以作为页面迁移目标的空闲页面位置，然后也记录到一个列表里面：

等两个扫描在域中间相遇，意味着扫描结束，然后将左边扫描得到的已分配的页面迁移到右边空闲的页面中，左边就形成了一段连续的物理内存，完成页面规整。

碎片化整理的三种方式

static struct page * 
__alloc_pages_direct_compact(gfp_t gfp_mask, unsigned int order, 
  unsigned int alloc_flags, const struct alloc_context *ac, 
  enum compact_priority prio, enum compact_result *compact_result) 
{ 
 struct page *page; 
 unsigned int noreclaim_flag; 
 
 if (!order) 
  return NULL; 
 
 noreclaim_flag = memalloc_noreclaim_save(); 
 *compact_result = try_to_compact_pages(gfp_mask, order, alloc_flags, ac, 
         prio); 
 memalloc_noreclaim_restore(noreclaim_flag); 
 
 if (*compact_result <= COMPACT_INACTIVE) 
  return NULL; 
 
 count_vm_event(COMPACTSTALL); 
 
 page = get_page_from_freelist(gfp_mask, order, alloc_flags, ac); 
 
 if (page) { 
  struct zone *zone = page_zone(page); 
 
  zone->compact_blockskip_flush = false; 
  compaction_defer_reset(zone, order, true); 
  count_vm_event(COMPACTSUCCESS); 
  return page; 
 } 
 
 count_vm_event(COMPACTFAIL); 
 
 cond_resched(); 
 
 return NULL; 
} 

这也是上面memory compaction算法的代码实现。

在linux内核里一共有3种方式可以碎片化整理，我们总结如下：

这里就不展开源码的解析了，有了宏观的理解然后再去网上搜下具体实现细节相信不是什么难事，OK，我们进入下面的文章内容：内存回收(memory reclaim)。

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