Linux内核设计与实现学习笔记（十二）

内核把物理页作为内存管理的基本单位。处理器的最小可寻址单位为字节。然而从虚拟内存的角度看，页就是最小单位。

内核用struct page结构表示系统中的吗每个物理页，位于中。

struct page{

    unsigned long        flags;//页的装填
    atomic_t             _count;//页的引用计数
    atomic_t             _mapcount;
    unsigned long        private;
    struct address_space *mapping;
    pgoff_t              index;
    struct list_head     lru;
    void                 *virtual;
};

由于硬件的限制，内核将页划为不同的区。

Linux主要存在四种区：

• ZONE_DMA——这个区包含的页能用来执行DMA操作。
• ZONE_DMA32——和ZONE_DMA类似，该区包含的页面可用来执行DMA操作；区别是该区的页面只能被32位设备访问。
• ZONE_NORMAL——能正常映射的页
• ZONE_HIGHEM——“高端内存”，其中的页不能永久的映射到内核地址空间

Linux把系统的也划分为区，形成不同的内存池。值得注意：不能同时从两个区分配内存，即分配不能跨越区域限制。

kmalloc()函数和malloc()类似，多一个flags参数。同malloc，kmalloc不对分配的内存空间清零。

void *kmalloc(size_t size,gfp_t flags)，位于头文件中。

该函数返回一个指向内存块的指针，其内存块至少要有size大小。所分配的页在物理上是连续的。

内核最常用的类型标志是GFP_KERNEL,这种分配可能引起睡眠，因此不能用于中断上下文中。

与其截然相反的标志是GFP_ATOMIC，这个标志表示不能睡眠的内存分配，因此如果没有足够的连续内存块可用，内核也很可能无法释放出可用内存，因为内核不让调用者睡眠。即在当前代码不能睡眠（处于中断上下文），只能选择GFP_ATOMIC。

与之对应的是kfree()。void kfree(const void *ptr);

vmalloc()函数的工作方式类似于kmalloc()，但是vmalloc()分配的内存虚拟地址是连续的，物理地址无需连续。同时这也是用户空间分配函数的工作方式：由malloc()返回的页在进程的虚拟地址空间是连续的，但是不保证他们在物理RAM中也连续。

尽管vmalloc()可以将不连续的物理地址映射为连续的虚拟地址，但是很多内核大妈仍然使用kmalloc()，因为就性能而言，vmalloc()函数把物理上不连续的页转换为虚拟地址空间上连续的页，需要建立页表项。同时，通过vmalloc()获得的页必须挨个进行映射，这会导致比内存映射大的多的TLB抖动。

slab分配器的几个原则：

• 频繁使用的数据结构也会频繁的分配和释放，因此应当缓存他们
• 频繁分配和挥手会导致内存碎片。为避免这种现象，空闲链表的缓存会连续的释放。因为已释放的数据结构又会重新放回空闲链表，因此不会导致碎片。
• 回收的对象可以立即投入下一次分配，对于频繁的分配和释放，空闲链表能够提高其性能。
• 对存放的对象进行着色，防止多个对象映射到相同的高速缓存行。
• 如果让部分缓存专属于单个处理器，那么，分配和释放就可以在不加SMP锁的情况下进行。
• 如果分配器是NUMA相关的，他就可以从相同的内存节点为请求者进行分配

kmalloc()建立在slab层之上，使用了一组通用高速缓存。然后这些高速缓存又被划分为slab，每个slab由一个或多个物理上连续的页组成。

slab层的特性：只有当给定的高速缓存部分中既没有满没有空的slav时才会调用页分配函数。且只有当可用内存变得紧缺时，系统试图释放出更多的内存以供使用；或高速缓存显示地被撤销时，才会调用释放函数。