Linux 2.6 源码学习-内存管理-buddy算法

核心数据结构

linux 2.6 的内存管理支持NUMA(Non Uniform Memory Access Achitecture)，即非一致内存访问体系，在该体系中存在多个CPU，并且拥有分离的存储器以及共享存储器。因此在linux的代码中将每一个CPU的可访问内存定义为一个内存节点。总体上linux采取了节点、域、页面三级结构描述物理内存，核心数据结构如下：

typedef struct pglist_data { //内存节点数据结构
    struct zone node_zones[MAX_NR_ZONES]; 
        //略}
struct zone {//域数据结构
    //略
    //#define MAX_ORDER 11
    struct free_area    free_area[MAX_ORDER]; //页管理 MAX_ORDER为11
    //略}

buddy算法概述：

free_area对应一个域中的物理页面，页面的管理采用buddy算法。在buddy算法中物理内存被分为11个组，其中第0,1，N个组分别对应2⁰、2^N个连续物理界面。当分配2^N 个页面是就会到相应的组去寻找，若没有则向下寻找同时向上归并空闲块。举例如下：

第一次：初始情况，所有的页面状态为可用；

第二次：申请一个页面，因此数组0的页面被获取；

第三次：申请两个页面，因此数组1的页面给获取；

第四次：仍然申请两个页面，此时数据1已经无空闲块，遍历至数组2；获取两个页面，同时将数组2的剩余两个页面向上归并，最终数组2满，而数组1空闲；

buddy算法实现（根据linux 2.6.11版本）

核心函数为mm/page_alloc.c中的__alloc_pages，函数原型为：

struct page * fastcall
__alloc_pages(unsigned int gfp_mask, //申请修饰符，如__GPF_WAIT表示分配器可以休眠
 unsigned int order, //申请页面的阶数
struct zonelist *zonelist)

在该函数中调用：page = buffered_rmqueue(z, order, gfp_mask); 

buffered_rmqueue调用__rmqueue和expand分别完成buddy算法中的申请页面查找，和分拆后的向上空闲块归并，代码如下：

static struct page *__rmqueue(struct zone *zone, unsigned int order)
{
    struct free_area * area;
    unsigned int current_order;
    struct page *page;

    for (current_order = order; current_order < MAX_ORDER; ++current_order) {
        area = zone->free_area + current_order;//到与current_order阶数对应的free_area数组元素
        if (list_empty(&area->free_list))//当前area下无空闲块
            continue;
        page = list_entry(area->free_list.next, struct page, lru); //在area的free_list中获取属于LRU（当前最久未使用页面）
        list_del(&page->lru);//在最久未使用页面列表中删除该页面
        rmv_page_order(page);
        area->nr_free--;//该area的可用页面-1
        zone->free_pages -= 1UL << order; //整个域的页面减去2的阶层次个页面
        return expand(zone, page, order, current_order, area);//拆分归并，current_order为实际获取页面的阶层数，如上例中的数组2
    }
    return NULL;
}

static inline struct page *
expand(struct zone *zone, struct page *page,
     int low, int high, struct free_area *area)
{
    unsigned long size = 1 << high;//获取页面的数组所包含页面数量，如数组2包含4个页面

    while (high > low) {//若实际阶层数大于申请阶层数，则需要进行拆分归并
        area--;//向上查找
        high--;
        size >>= 1;//size>>1表示上一级的全部页面数（举例，若在第4组即16个页面处，申请4个页面，那么剩下的12个会分为8个（size>>=1）和4个(size>>=2)填充到上面的数组里）
        BUG_ON(bad_range(zone, &page[size]));
        list_add(&page[size].lru, &area->free_list);//将上一级free_list变为空闲块
        area->nr_free++;//该级可用页面数增加
        set_page_order(&page[size], high);
    }
    return page;
}