Linux 物理内存外碎片化浅析 _Linux

本文出现的内核代码来自linux4.19，如果有兴趣，读者可以配合代码阅读本文。
一、Linux物理内存外碎片化概述
什么是Linux物理内存碎片化？Linux物理内存碎片化包括两种：
1.物理内存内碎片：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。

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Linux物理内存内碎片
2.物理内存外碎片化：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，本文中阐述的就是物理内存外碎片化。
注：#1物理页帧号：Linux物理内存是通过页面进行管理，并对每个页面进行编号，称为页帧号，如果是连续的两个物理页面，其页帧号是连续的。

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Linux物理内存外碎片
二、Linux物理内存管理框架
阐述物理内存外碎片化的来龙去脉前，先得明白Linux是如何管理物理内存的？Linux内核采用的是buddy system allocation，即著名的伙伴系统分配器。
1.设计思路
伙伴系统分配器的核心思路：将系统的空闲页面分为11个块链表，每个块链表分别管理着1,2,4,8,16,32,64,128,256,512和1024个物理页帧号连续的页面。每个页面大小为4K bytes，buddy管理的块大小范围从4K bytes到4M bytes，以2的倍数递增。

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Linux物理内存管理框架图
2.管理逻辑
Linux对物理页面管理的框架如上图，由于本文阐述的是物理内存外碎片，所以关于伙伴系统本文只做简单分析，不涉及具体的细节并不阐述关于per cpu pageset等内容，如果读者有兴趣，可以参考内核源码。
Linux将物理内存分为不同的node和zone来管理：

node：为了支持NUMA结构，即CPU对不同内存簇的访问速度不同，Linux设计了node结构，将物理内存分为多个内存节点管理；对于UMA结构，只有一个node节点。
zone：为兼容不同的平台的硬件限制，例如80x86的体系结构的硬件总线访问等问题，Linux将node节点下的内存分为多个zone；目前在ARM平台，多个zone管理已非必要。

zone管理单元下的内存通过free_area数组将内存分成11个块链表进行管理：