11.伙伴系统（避免碎片及内存的迁移类型）

反碎片的工作原理如何？为理解该方法，我们必须知道内核将已分配页划分为下面3种不同类型。

 不可移动页：在内存中有固定位置，不能移动到其他地方。核心内核分配的大多数内存属于该类别。

 可回收页：不能直接移动，但可以删除，其内容可以从某些源重新生成。例如，映射自文件

的数据属于该类别。kswapd守护进程会根据可回收页访问的频繁程度，周期性释放此类内存。这是一个复杂的过程，本身就需要详细论述目前，了解到内核会在可回收页占据了太多内存时进行回收，就足够了。

另外，在内存短缺（即分配失败）时也可以发起页面回收。有关内核发起页面回收的时机，更具体的信息请参考下文。

 可移动页可以随意地移动。属于用户空间应用程序的页属于该类别。它们是通过页表映射的。如果它们复制到新位置，页表项可以相应地更新，应用程序不会注意到任何事。

 

 

页的可移动性，依赖该页属于3种类别的哪一种。内核使用的反碎片技术，即基于将具有相同可移动性的页分组的思想。为什么这种方法有助于减少碎片？回想图3-25中，由于页无法移动，导致在

原本几乎全空的内存区中无法进行连续分配。根据页的可移动性，将其分配到不同的列表中，即可防止这种情形。例如，不可移动的页不能位于可移动内存区的中间，否则就无法从该内存区分配较大的

连续内存块。

 

想一下，图3-25中大多数空闲页都属于可回收的类别，而分配的页则是不可移动的。如果这些页聚集到两个不同的列表中，如图3-26所示。在不可移动页中仍然难以找到较大的连续空闲空间，但对

可回收的页，就容易多了。

 

 数据结构

尽管内核使用的反碎片技术卓有成效，它对伙伴分配器的代码和数据结构几乎没有影响。内核定义了一些宏来表示不同的迁移类型：

<mmzone.h>
#define MIGRATE_UNMOVABLE 0
#define MIGRATE_RECLAIMABLE 1
#define MIGRATE_MOVABLE 2
#define MIGRATE_RESERVE 3
#define MIGRATE_ISOLATE 4 /* 不能从这里分配 */
#define MIGRATE_TYPES 5

 

 如果向具有特定可移动性的列表请求分配内存失败，这种紧急情况下可从MIGRATE_RESERVE分配内存。

MIGRATE_ISOLATE是一个特殊的虚拟区域，用于跨越NUMA结点移动物理内存页。在大型系统上，它有益于将物理内存页移动到接近于使用该页最频繁的CPU。MIGRATE_TYPES只是表示迁移类型的数

目，也不代表具体的区域。

对伙伴系统数据结构的主要调整，是将空闲列表分解为MIGRATE_TYPE个列表：

<mmzone.h>
struct free_area {
　　struct list_head 　　free_list[MIGRATE_TYPES];
　　unsigned 　　long nr_free;
};

 

如果内核无法满足针对某一给定迁移类型的分配请求，会怎么样？此前已经出现过一个类似的问题，即特定的NUMA内存域无法满足分配请求时。内核在这种情况下的做法是类似的，提供了一个备用列表，规定了在指定列表中无法满足分配请求时，接下来应使用哪一种迁移类型：

mm/page_alloc.c

/*

* 该数组描述了指定迁移类型的空闲列表耗尽时，其他空闲列表在备用列表中的次序。

*/

static int fallbacks[MIGRATE_TYPES][MIGRATE_TYPES-1] = {
　　[MIGRATE_UNMOVABLE] = { MIGRATE_RECLAIMABLE, MIGRATE_MOVABLE, MIGRATE_RESERVE },
　　[MIGRATE_RECLAIMABLE] = { MIGRATE_UNMOVABLE, MIGRATE_MOVABLE, MIGRATE_RESERVE },
　　[MIGRATE_MOVABLE] = { MIGRATE_RECLAIMABLE, MIGRATE_UNMOVABLE, MIGRATE_RESERVE },
　　[MIGRATE_RESERVE] = { MIGRATE_RESERVE, MIGRATE_RESERVE, MIGRATE_RESERVE },
　　　　　　/* 从来不用 */
}

 

内核如何知道给定的分配内存属于何种迁移类型？

有关各个内存分配的细节都通过分配掩码指定。内核提供了两个标志，分别用于表示分配的内存是可移动的（__GFP_MOVABLE）或可回收的（__GFP_RECLAIMABLE）。如果这些标志都没有设置，则分配的内存假定为不可移动的。下列辅助函数可用于转换分配标志及对应的迁移类型:

<gfp.h>
static inline int allocflags_to_migratetype(gfp_t gfp_flags)
{
　　if (unlikely(page_group_by_mobility_disabled))
　　　　return MIGRATE_UNMOVABLE;
　　/* 根据可移动性分组 */
　　return (((gfp_flags & __GFP_MOVABLE) != 0) << 1) |
　　　　((gfp_flags & __GFP_RECLAIMABLE) != 0);
}

 

如果停用了页面迁移特性，则所有的页都是不可移动的。否则，该函数的返回值可以直接用作free_area.free_list的数组索引。

set_pageblock_migratetype负责设置以page为首的一个内存区的迁移类型：

mm/page_alloc.c
void set_pageblock_migratetype(struct page *page, int migratetype);

 

migratetype参数可以通过上文介绍的allocflags_to_migratetype辅助函数构建。请注意很重要的一点，页的迁移类型是预先分配好的，对应的比特位总是可用，与页是否由伙伴系统管理无关。

在释放内存时，页必须返回到正确的迁移链表。这之所以可行，是因为能够从get_pageblock_migratetype获得所需的信息。

 

初始化基于可移动性的分组

在内存子系统初始化期间，memmap_init_zone负责处理内存域的page实例。该函数完成了一些不怎么有趣的标准初始化工作，但其中有一件是实质性的，即所有的页最初都标记为可移动的！

 

在分配内存时，如果必须“盗取”不同于预定迁移类型的内存区，内核在策略上倾向于“盗取”更大的内存区。由于所有页最初都是可移动的，那么在内核分配不可移动的内存区时，则必须“盗取”。

 

实际上，在启动期间分配可移动内存区的情况较少，那么分配器有很高的几率分配长度最大的内存区，并将其从可移动列表转换到不可移动列表。由于分配的内存区长度是最大的，因此不会向可移动内存中引入碎片。

 

总而言之，这种做法避免了启动期间内核分配的内存（经常在系统的整个运行时间都不释放）散布到物理内存各处，从而使其他类型的内存分配免受碎片的干扰，这也是页可移动性分组框架的最重要的目标之一。