1. 引言
内存管理是操作系统中的重要功能之一，负责对系统的内存进行分配和管理。在Linux内核中，内存页的分配是内存管理的关键部分之一。本文将对Linux内核中的内存页分配技术进行研究和探讨。
2. Linux内核中的内存页分配
2.1 内存页的概念
内存页是内存管理的基本单位，它是连续的物理内存区域，通常大小为4KB或者2MB。内存页的大小是固定的，这样可以简化内存管理的复杂度，提高内存分配和访问的效率。
2.2 内存页的分配策略
Linux内核中采用了众多的内存页分配策略，以满足不同场景下的需求。
2.2.1 最先匹配算法
最先匹配算法是一种简单而高效的内存页分配算法。它从可用内存列表中找到首个大于或等于需求大小的内存区域，并将该区域分配给请求的进程。
该算法的优点是简单快速，适合大部分场景下的内存分配。然而，最先匹配算法容易导致内存碎片的产生。
2.2.2 最佳适配算法
最佳适配算法是一种更为精细的内存页分配算法。它从可用内存列表中找到最合适的内存区域，并将该区域分配给请求的进程。最佳适配算法能够最小化内存碎片的产生。
然而，最佳适配算法的缺点是执行效率较低，需要对整个可用内存列表进行搜索，对于大规模的内存分配操作来说，内存页分配的速度可能较慢。
2.2.3 伙伴系统
伙伴系统是Linux内核中广泛使用的内存页分配技术。它将可用内存分成一系列大小相等的内存块，每个内存块的大小是2的幂次方。
伙伴系统通过维护空闲列表来管理可用内存块，当一个进程请求内存时，它将按照2的幂次方找到最接近所需大小的内存块，并将该块分配给进程。
伙伴系统的优点是它能够快速高效地分配内存，同时能够最小化内存碎片的产生。
3. Linux内核中的内存分配算法实现
3.1 buddy分配器
buddy分配器是Linux内核中用于管理内存页的重要组件之一。它负责维护可用内存块的列表，并根据进程的内存分配请求进行分配。
buddy分配器的实现涉及到内存页的合并和拆分操作。当一个进程释放内存页时，buddy分配器会尝试将相邻的空闲内存页块合并成一个更大的块。当一个进程请求内存时，buddy分配器会尝试将大块的内存页拆分为合适大小的块。
// Buddy分配器中的合并操作
void merge(struct page *page)
{
// 判断page和它的伙伴是否都是空闲的
if (page && page->buddy && page->order == page->buddy->order && page->buddy->count == FREE)
{
// 从空闲列表中移除page和它的伙伴
remove_from_free_list(page);
remove_from_free_list(page->buddy);
// 合并page和它的伙伴为更大块的内存页
struct page *merged_page = merge_pages(page, page->buddy);
// 将合并后的内存页添加到空闲列表中
add_to_free_list(merged_page);
// 递归调用合并操作，继续合并更大的空闲内存块
merge(merged_page);
}
}
3.2 SLAB分配器
SLAB分配器是Linux内核中另一种重要的内存页分配技术。它通过预先分配一些内存页，并将其划分为固定大小的对象块，以便更高效地分配和释放内存。
SLAB分配器通过三个缓存层来管理内存页：slab、partial和full。当一个进程需要分配内存时，SLAB分配器会从slab层中查找可用的对象块并分配给进程。当对象块被释放时，它将被返回到slab层的partial或full列表中。
// SLAB分配器中的分配操作
void *slab_alloc(struct kmem_cache *cache)
{
// 从slab层中查找可用的对象块
if (cache->slab_head)
{
struct slab *slab = cache->slab_head;
// 从slab的free列表中取出一个对象块
void *object = slab->free_list;
slab->free_list = object->next;
// 如果slab的free列表为空，则将slab从slab层中移除
if (!slab->free_list)
{
remove_from_slab_list(cache, slab);
}
// 返回分配的对象块
return object;
}
// slab层没有可用的对象块，从partial或full列表中分配
...
}
4. 结论
本文对Linux内核中的内存页分配技术进行了研究和探讨。我们介绍了最先匹配算法、最佳适配算法以及伙伴系统等内存页分配策略，并对buddy分配器和SLAB分配器的实现进行了详细解释。
通过对Linux内核中的内存页分配技术的研究，可以更好地理解操作系统内存管理的机制和原理，为系统性能优化和内存分配效率改进提供参考。