Linux kernel内存碎片防治技术：深入理解内存管理

你是否曾经遇到过在Linux系统中出现的各种内存问题？比如内存泄漏、内存碎片等等。这些问题都可以通过深入理解Linux kernel内存碎片防治技术得到解决。

Linux kernel组织管理物理内存的方式是buddy system（伙伴系统），而物理内存碎片正式buddy system的弱点之一，为了预防以及解决碎片问题，kernel采取了一些实用技术，这里将对这些技术进行总结归纳。

1 低内存时整合碎片

从buddy申请内存页，如果找不到合适的页，则会进行两步调整内存的工作，compact和reclaim。前者是为了整合碎片，以得到更大的连续内存；后者是回收不一定必须占用内存的缓冲内存。这里重点了解comact，整个流程大致如下：

__alloc_pages_nodemask
  -> __alloc_pages_slowpath
    -> __alloc_pages_direct_compact
      -> try_to_compact_pages
        -> compact_zone_order
          -> compact_zone
            -> isolate_migratepages
            -> migrate_pages
            -> release_freepages
并不是所有申请不到内存的场景都会compact，首先要满足order大于0，并且gfp_mask携带__

GFP_FS和__GFP_IO；另外，需要zone的剩余内存情况满足一定条件，kernel称之为“碎片指数”（fragmentation index），这个值在0~1000之间，默认碎片指数大于500时才能进行compact，可以通过proc文件extfrag_threshold来调整这个默认值。fragmentation index通过fragmentation_index函数来计算：

1. /*
2. \* Index is between 0 and 1000
3. *
4. \* 0 => allocation would fail due to lack of memory
5. \* 1000 => allocation would fail due to fragmentation
6. */
7. return 1000 - div_u64( (1000+(div_u64(info->free_pages * 1000ULL, requested))), info->free_blocks_total)

在整合内存碎片的过程中，碎片页只会在本zone的内部移动，将位于zone低地址的页尽量移到zone的末端。申请新的页面位置通过compaction_alloc函数实现。

移动过程又分为同步和异步，内存申请失败后第一次compact将会使用异步，后续reclaim之后将会使用同步。同步过程只移动当面未被使用的页，异步过程将遍历并等待所有MOVABLE的页使用完成后进行移动。

2 按可移动性组织页

按照可移动性将内存页分为以下三个类型：
UNMOVABLE：在内存中位置固定，不能随意移动。kernel分配的内存基本属于这个类型；
RECLAIMABLE：不能移动，但可以删除回收。例如文件映射内存；
MOVABLE：可以随意移动，用户空间的内存基本属于这个类型。
申请内存时，根据可移动性，首先在指定类型的空闲页中申请内存，每个zone的空闲内存组织方式如下：

1. struct zone {
2. ......
3. struct free_area free_area[MAX_ORDER];
4. ......
5. }
6.  
7. struct free_area {
8. struct list_head free_list[MIGRATE_TYPES];
9. unsigned long nr_free;
10. };

当在指定类型的free_area申请不到内存时，可以从备用类型挪用，挪用之后的内存就会释放到新指定的类型列表中，kernel把这个过程称为“盗用”。
备用类型优先级列表如下定义：

1. static int fallbacks[MIGRATE_TYPES][4] = {
2. [MIGRATE_UNMOVABLE] = { MIGRATE_RECLAIMABLE, MIGRATE_MOVABLE, MIGRATE_RESERVE },
3. [MIGRATE_RECLAIMABLE] = { MIGRATE_UNMOVABLE, MIGRATE_MOVABLE, MIGRATE_RESERVE },
4. \#ifdef CONFIG_CMA
5. [MIGRATE_MOVABLE] = { MIGRATE_CMA, MIGRATE_RECLAIMABLE, MIGRATE_UNMOVABLE, MIGRATE_RESERVE },
6. [MIGRATE_CMA] = { MIGRATE_RESERVE }, /* Never used */
7. \#else
8. [MIGRATE_MOVABLE] = { MIGRATE_RECLAIMABLE, MIGRATE_UNMOVABLE, MIGRATE_RESERVE },
9. \#endif
10. [MIGRATE_RESERVE] = { MIGRATE_RESERVE }, /* Never used */
11. \#ifdef CONFIG_MEMORY_ISOLATION
12. [MIGRATE_ISOLATE] = { MIGRATE_RESERVE }, /* Never used */
13. \#endif
14. };

值得注意的是并不是所有场景都适合按可移动性组织页，当内存大小不足以分配到各种类型时，就不适合启用可移动性。有个全局变量来表示是否启用，在内存初始化时设置：

1. void __ref build_all_zonelists(pg_data_t *pgdat, struct zone *zone)
2. {
3. ......
4. if (vm_total_pages else
7. page_group_by_mobility_disabled = 0;
8. ......
9. }

如果page_group_by_mobility_disabled，则所有内存都是不可移动的。
其中有个参数决定了每个内存区域至少拥有的页，pageblock_nr_pages，它的定义如下：

#define pageblock_order HUGETLB_PAGE_ORDER

1. \#else /* CONFIG_HUGETLB_PAGE */
2. /* If huge pages are not used, group by MAX_ORDER_NR_PAGES */
3. \#define pageblock_order (MAX_ORDER-1)
4. \#endif /* CONFIG_HUGETLB_PAGE */
5. \#define pageblock_nr_pages (1UL 

在系统初始化期间，所有页都被标记为MOVABLE：

1. void __meminit memmap_init_zone(unsigned long size, int nid, unsigned long zone,
2. unsigned long start_pfn, enum memmap_context context)
3. {
4. ......
5. if ((z->zone_start_pfn 

其它可移动性类型的页都是后来产生的，也就是前面说的“盗取”。在这种情况发生时，通常会“盗取”fallback中更高优先级、更大块连续的页，从而避免小碎片的产生。

1. /* Remove an element from the buddy allocator from the fallback list */
2. static inline struct page *
3. __rmqueue_fallback(struct zone *zone, int order, int start_migratetype)
4. {
5. ......
6. /* Find the largest possible block of pages in the other list */
7. for (current_order = MAX_ORDER-1; current_order >= order;
8. --current_order) {
9. for (i = 0;; i++) {
10. migratetype = fallbacks[start_migratetype][i];
11. ......
12. }

可以通过/proc/pageteypeinfo查看当前系统各种类型的页分布。

3 虚拟可移动内存域

在依据可移动性组织页的技术之前，还有一个方法已经合入kernel，那就是虚拟内存域：ZONE_MOVABLE。基本思想很简单：把内存分为两部分，可移动的和不可移动的。

1. enum zone_type {
2. \#ifdef CONFIG_ZONE_DMA
3. ZONE_DMA,
4. \#endif
5. \#ifdef CONFIG_ZONE_DMA32
6. ZONE_DMA32,
7. \#endif
8. ZONE_NORMAL,
9. \#ifdef CONFIG_HIGHMEM
10. ZONE_HIGHMEM,
11. \#endif
12. ZONE_MOVABLE,
13. __MAX_NR_ZONES
14. };

ZONE_MOVABLE的启用需要指定kernel参数kernelcore或者movablecore，kernelcore用来指定不可移动的内存数量，movablecore指定可移动的内存大小，如果两个都指定，取不可移动内存数量较大的一个。如果都不指定，则不启动。
与其它内存域不同的是ZONE_MOVABLE不关联任何物理内存范围，该域的内存取自高端内存域或者普通内存域。
find_zone_movable_pfns_for_nodes用来计算每个node中ZONE_MOVABLE的内存数量，采用的内存区域通常是每个node的最高内存域，在函数find_usable_zone_for_movable中体现。
在对每个node分配ZONE_MOVABLE内存时，kernelcore会被平均分配到各个Node：
kernelcore_node = required_kernelcore / usable_nodes;
在kernel alloc page时，如果gfp_flag同时指定了__GFP_HIGHMEM和__GFP_MOVABLE，则会从ZONE_MOVABLE内存域申请内存。

总之，Linux kernel内存碎片防治技术是一个非常重要的概念，可以帮助你更好地理解Linux系统中的内存管理。如果你想了解更多关于这个概念的信息，可以查看本文提供的参考资料。

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