Linux内存管理之伙伴系统（内存分配）

一、Linux伙伴系统分配器

伙伴系统分配器大体上分为两类。__get_free_pages()类函数返回分配的第一个页面的线性地址；alloc_pages()类函数返回页面描述符地址。不管以哪种函数进行分配，最终会调用alloc_pages()进行分配页面。

为清楚了解其分配制度，先给个伙伴系统数据的存储框图

也就是每个order对应一个free_area结构，free_area以不同的类型以链表的方式存储这些内存块。

二、主分配函数

下面我们来看这个函数（在UMA模式下）

1. #define alloc_pages(gfp_mask, order) \   


2.         alloc_pages_node(numa_node_id(), gfp_mask, order)  


3.    

1. static inline struct page *alloc_pages_node(int nid, gfp_t gfp_mask,  


2.                         unsigned int order)  


3. {  


4.     /* Unknown node is current node */  


5.     if (nid < 0)  


6.         nid = numa_node_id();  


7.   


8.     return __alloc_pages(gfp_mask, order, node_zonelist(nid, gfp_mask));  


9. }  

1. static inline struct page *  


2. __alloc_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order,  


3.         struct zonelist *zonelist)  


4. {  


5.     return __alloc_pages_nodemask(gfp_mask, order, zonelist, NULL);  


6. }  

上层分配函数__alloc_pages_nodemask()

1. /* 


2.  * This is the ‘heart’ of the zoned buddy allocator. 


3.  */  


4.  /*上层分配器运用了各种方式进行*/  


5. struct page *  


6. __alloc_pages_nodemask(gfp_t gfp_mask, unsigned int order,  


7.             struct zonelist *zonelist, nodemask_t *nodemask)  


8. {  


9.     enum zone_type high_zoneidx = gfp_zone(gfp_mask);  


10.     struct zone *preferred_zone;  


11.     struct page *page;  


12.       


13.     /* Convert GFP flags to their corresponding migrate type */  


14.     int migratetype = allocflags_to_migratetype(gfp_mask);  


15.   


16.     gfp_mask &= gfp_allowed_mask;  


17.     /*调试用*/  


18.     lockdep_trace_alloc(gfp_mask);  


19.     /*如果__GFP_WAIT标志设置了，需要等待和重新调度*/  


20.     might_sleep_if(gfp_mask & __GFP_WAIT);  


21.     /*没有设置对应的宏*/  


22.     if (should_fail_alloc_page(gfp_mask, order))  


23.         return NULL;  


24.   


25.     /* 


26.      * Check the zones suitable for the gfp_mask contain at least one 


27.      * valid zone. It’s possible to have an empty zonelist as a result 


28.      * of GFP_THISNODE and a memoryless node 


29.      */  


30.     if (unlikely(!zonelist->_zonerefs->zone))  


31.         return NULL;  


32.   


33.     /* The preferred zone is used for statistics later */  


34.     /* 英文注释所说*/  


35.     first_zones_zonelist(zonelist, high_zoneidx, nodemask, &preferred_zone);  


36.     if (!preferred_zone)  


37.         return NULL;  


38.   


39.     /* First allocation attempt */  


40.     /*从pcp和伙伴系统中正常的分配内存空间*/  


41.     page = get_page_from_freelist(gfp_mask|__GFP_HARDWALL, nodemask, order,  


42.             zonelist, high_zoneidx, ALLOC_WMARK_LOW|ALLOC_CPUSET,  


43.             preferred_zone, migratetype);  


44.     if (unlikely(!page))/*如果上面没有分配到空间，调用下面函数慢速分配，允许等待和回收*/  


45.         page = __alloc_pages_slowpath(gfp_mask, order,  


46.                 zonelist, high_zoneidx, nodemask,  


47.                 preferred_zone, migratetype);  


48.     /*调试用*/  


49.     trace_mm_page_alloc(page, order, gfp_mask, migratetype);  


50.     return page;  


51. }  

三、从pcp和伙伴系统中正常的分配内存空间

函数get_page_from_freelist()

1. /* 


2.  * get_page_from_freelist goes through the zonelist trying to allocate 


3.  * a page. 


4.  */  


5. /*为分配制定内存空间，遍历每个zone*/  


6. static struct page *  


7. get_page_from_freelist(gfp_t gfp_mask, nodemask_t *nodemask, unsigned int order,  


8.         struct zonelist *zonelist, int high_zoneidx, int alloc_flags,  


9.         struct zone *preferred_zone, int migratetype)  


10. {  


11.     struct zoneref *z;  


12.     struct page *page = NULL;  


13.     int classzone_idx;  


14.     struct zone *zone;  


15.     nodemask_t *allowednodes = NULL;/* zonelist_cache approximation */  


16.     int zlc_active = 0;     /* set if using zonelist_cache */  


17.     int did_zlc_setup = 0;      /* just call zlc_setup() one time */  


18.     /*zone对应的下标*/  


19.     classzone_idx = zone_idx(preferred_zone);  


20. zonelist_scan:  


21.     /* 


22.      * Scan zonelist, looking for a zone with enough free. 


23.      * See also cpuset_zone_allowed() comment in kernel/cpuset.c. 


24.      */  


25.      /*遍历每个zone，进行分配*/  


26.     for_each_zone_zonelist_nodemask(zone, z, zonelist,  


27.         /*在UMA模式下不成立*/              high_zoneidx, nodemask) {  


28.         if (NUMA_BUILD && zlc_active &&  


29.             !zlc_zone_worth_trying(zonelist, z, allowednodes))  


30.                 continue;  


31.         if ((alloc_flags & ALLOC_CPUSET) &&  


32.             !cpuset_zone_allowed_softwall(zone, gfp_mask))  


33.                 goto try_next_zone;  


34.   


35.         BUILD_BUG_ON(ALLOC_NO_WATERMARKS < NR_WMARK);  


36.         /*需要关注水位*/  


37.         if (!(alloc_flags & ALLOC_NO_WATERMARKS)) {  


38.             unsigned long mark;  


39.             int ret;  


40.             /*从flags中取的mark*/  


41.             mark = zone->watermark[alloc_flags & ALLOC_WMARK_MASK];  


42.             /*如果水位正常，从本zone中分配*/  


43.             if (zone_watermark_ok(zone, order, mark,  


44.                     classzone_idx, alloc_flags))  


45.                 goto try_this_zone;  


46.   


47.             if (zone_reclaim_mode == 0)/*如果上面检查的水位低于正常值，且没有设置页面回收值*/  


48.                 goto this_zone_full;  


49.             /*在UMA模式下下面函数直接返回0*/  


50.             ret = zone_reclaim(zone, gfp_mask, order);  


51.             switch (ret) {  


52.             case ZONE_RECLAIM_NOSCAN:  


53.                 /* did not scan */  


54.                 goto try_next_zone;  


55.             case ZONE_RECLAIM_FULL:  


56.                 /* scanned but unreclaimable */  


57.                 goto this_zone_full;  


58.             default:  


59.                 /* did we reclaim enough */  


60.                 if (!zone_watermark_ok(zone, order, mark,  


61.                         classzone_idx, alloc_flags))  


62.                     goto this_zone_full;  


63.             }  


64.         }  


65.   


66. try_this_zone:/*本zone正常水位*/  


67.     /*先从pcp中分配，然后不行的话再从伙伴系统中分配*/  


68.         page = buffered_rmqueue(preferred_zone, zone, order,  


69.                         gfp_mask, migratetype);  


70.         if (page)  


71.             break;  


72. this_zone_full:  


73.         if (NUMA_BUILD)/*UMA模式为0*/  


74.             zlc_mark_zone_full(zonelist, z);  


75. try_next_zone:  


76.         if (NUMA_BUILD && !did_zlc_setup && nr_online_nodes > 1) {  


77.             /* 


78.              * we do zlc_setup after the first zone is tried but only 


79.              * if there are multiple nodes make it worthwhile 


80.              */  


81.             allowednodes = zlc_setup(zonelist, alloc_flags);  


82.             zlc_active = 1;  


83.             did_zlc_setup = 1;  


84.         }  


85.     }  


86.   


87.     if (unlikely(NUMA_BUILD && page == NULL && zlc_active)) {  


88.         /* Disable zlc cache for second zonelist scan */  


89.         zlc_active = 0;  


90.         goto zonelist_scan;  


91.     }  


92.     return page;/*返回页面*/  


93. }  

主分配函数

1. /* 


2.  * Really, prep_compound_page() should be called from __rmqueue_bulk().  But 


3.  * we cheat by calling it from here, in the order > 0 path.  Saves a branch 


4.  * or two. 


5.  */  


6.  /*先考虑从pcp中分配空间，当order大于0时再考虑从伙伴系统中分配*/  


7. static inline  


8. struct page *buffered_rmqueue(struct zone *preferred_zone,  


9.             struct zone *zone, int order, gfp_t gfp_flags,  


10.             int migratetype)  


11. {  


12.     unsigned long flags;  


13.     struct page *page;  


14.     int cold = !!(gfp_flags & __GFP_COLD);/*如果分配参数指定了__GFP_COLD标志，则设置cold标志*/  


15.     int cpu;  


16.   


17. again:  


18.     cpu  = get_cpu();  


19.     if (likely(order == 0)) {/*分配一个页面时，使用pcp*/  


20.         struct per_cpu_pages *pcp;  


21.         struct list_head *list;  


22.         /*找到zone对应的pcp*/  


23.         pcp = &zone_pcp(zone, cpu)->pcp;  


24.         list = &pcp->lists[migratetype];/*pcp中对应类型的list*/  


25.           


26.         /* 这里需要关中断，因为内存回收过程可能发送核间中断，强制每个核从每CPU 


27.         缓存中释放页面。而且中断处理函数也会分配单页。 */  


28.         local_irq_save(flags);  


29.         if (list_empty(list)) {/*如果pcp中没有页面,需要补充*/  


30.             /*从伙伴系统中获得batch个页面 


31.             batch为一次分配的页面数*/  


32.             pcp->count += rmqueue_bulk(zone, 0,  


33.                     pcp->batch, list,  


34.                     migratetype, cold);  


35.             /*如果链表仍然为空，申请失败返回*/  


36.             if (unlikely(list_empty(list)))  


37.                 goto failed;  


38.         }  


39.         /* 如果分配的页面不需要考虑硬件缓存(注意不是每CPU页面缓存) 


40.         ，则取出链表的最后一个节点返回给上层*/  


41.         if (cold)  


42.             page = list_entry(list->prev, struct page, lru);  


43.         else/* 如果要考虑硬件缓存，则取出链表的第一个页面，这个页面是最近刚释放到每CPU 


44.             缓存的，缓存热度更高 */  


45.             page = list_entry(list->next, struct page, lru);  


46.   


47.         list_del(&page->lru);/*从pcp中脱离*/  


48.         pcp->count–;/*pcp计数减一*/  


49.     }   


50.     else {/*当order为大于1时，不从pcp中分配，直接考虑从伙伴系统中分配*/  


51.         if (unlikely(gfp_flags & __GFP_NOFAIL)) {  


52.             /* 


53.              * __GFP_NOFAIL is not to be used in new code. 


54.              * 


55.              * All __GFP_NOFAIL callers should be fixed so that they 


56.              * properly detect and handle allocation failures. 


57.              * 


58.              * We most definitely don’t want callers attempting to 


59.              * allocate greater than order-1 page units with 


60.              * __GFP_NOFAIL. 


61.              */  


62.             WARN_ON_ONCE(order > 1);  


63.         }  


64.         /* 关中断，并获得管理区的锁*/  


65.         spin_lock_irqsave(&zone->lock, flags);  


66.         /*从伙伴系统中相应类型的相应链表中分配空间*/  


67.         page = __rmqueue(zone, order, migratetype);  


68.         /* 已经分配了1 << order个页面，这里进行管理区空闲页面统计计数*/  


69.         __mod_zone_page_state(zone, NR_FREE_PAGES, -(1 << order));  


70.         spin_unlock(&zone->lock);/* 这里仅仅打开自旋锁，待后面统计计数设置完毕后再开中断*/  


71.         if (!page)  


72.             goto failed;  


73.     }  


74.     /*事件统计计数，调试*/  


75.     __count_zone_vm_events(PGALLOC, zone, 1 << order);  


76.     zone_statistics(preferred_zone, zone);  


77.     local_irq_restore(flags);/*恢复中断*/  


78.     put_cpu();  


79.   


80.     VM_BUG_ON(bad_range(zone, page));  


81.       


82.      /* 这里进行安全性检查，并进行一些善后工作。 


83.       如果页面标志破坏，返回的页面出现了问题，则返回试图分配其他页面*/  


84.     if (prep_new_page(page, order, gfp_flags))  


85.         goto again;  


86.     return page;  


87.   


88. failed:  


89.     local_irq_restore(flags);  


90.     put_cpu();  


91.     return NULL;  


92. }  

3.1 pcp缓存补充

从伙伴系统中获得batch个页面，batch为一次分配的页面数rmqueue_bulk()函数。

1. /*  


2.  * Obtain a specified number of elements from the buddy allocator, all under 


3.  * a single hold of the lock, for efficiency.  Add them to the supplied list. 


4.  * Returns the number of new pages which were placed at *list. 


5.  */  


6.  /*该函数返回的是1<<order个页面，但是在pcp 


7.  处理中调用，其他地方没看到，order为0 


8.   也就是说返回的是页面数，加入的链表为 


9.   对应调用pcp的链表*/  


10. static int rmqueue_bulk(struct zone *zone, unsigned int order,   


11.             unsigned long count, struct list_head *list,  


12.             int migratetype, int cold)  


13. {  


14.     int i;  


15.       


16.     spin_lock(&zone->lock);/* 上层函数已经关了中断，这里需要操作管理区，获取管理区的自旋锁 */  


17.     for (i = 0; i < count; ++i) {/* 重复指定的次数，从伙伴系统中分配页面*/  


18.         /* 从伙伴系统中取出页面 */  


19.         struct page *page = __rmqueue(zone, order, migratetype);  


20.         if (unlikely(page == NULL))/*分配失败*/  


21.             break;  


22.   


23.         /* 


24.          * Split buddy pages returned by expand() are received here 


25.          * in physical page order. The page is added to the callers and 


26.          * list and the list head then moves forward. From the callers 


27.          * perspective, the linked list is ordered by page number in 


28.          * some conditions. This is useful for IO devices that can 


29.          * merge IO requests if the physical pages are ordered 


30.          * properly. 


31.          */  


32.         if (likely(cold == 0))/*根据调用者的要求，将页面放到每CPU缓存链表的头部或者尾部*/  


33.             list_add(&page->lru, list);  


34.         else  


35.             list_add_tail(&page->lru, list);  


36.         set_page_private(page, migratetype);/*设置private属性为页面的迁移类型*/  


37.         list = &page->lru;  


38.     }  


39.     /*递减管理区的空闲页面计数*/  


40.     __mod_zone_page_state(zone, NR_FREE_PAGES, -(i << order));  


41.     spin_unlock(&zone->lock);/*释放管理区的子璇锁*/  


42.     return i;  


43. }  

3.2 从伙伴系统中取出页面

__rmqueue()函数

1. /* 


2.  * Do the hard work of removing an element from the buddy allocator. 


3.  * Call me with the zone->lock already held. 


4.  */  


5.  /*采用两种范式试着分配order个page*/  


6. static struct page *__rmqueue(struct zone *zone, unsigned int order,  


7.                         int migratetype)  


8. {  


9.     struct page *page;  


10.   


11. retry_reserve:  


12.     /*从指定order开始从小到达遍历,优先从指定的迁移类型链表中分配页面*/  


13.     page = __rmqueue_smallest(zone, order, migratetype);  


14.       


15.         /* 


16.          * 如果满足以下两个条件,就从备用链表中分配页面: 


17.          *        快速流程没有分配到页面,需要从备用迁移链表中分配. 


18.          *        当前不是从保留的链表中分配.因为保留的链表是最后可用的链表, 


19.              *  不能从该链表分配的话,说明本管理区真的没有可用内存了. 


20.          */   


21.     if (unlikely(!page) && migratetype != MIGRATE_RESERVE) {  


22.         /*order从大到小遍历，从备用链表中分配页面*/  


23.         page = __rmqueue_fallback(zone, order, migratetype);  


24.   


25.         /* 


26.          * Use MIGRATE_RESERVE rather than fail an allocation. goto 


27.          * is used because __rmqueue_smallest is an inline function 


28.          * and we want just one call site 


29.          */  


30.         if (!page) {/* 备用链表中没有分配到页面,从保留链表中分配页面了 */  


31.             migratetype = MIGRATE_RESERVE;  


32.             goto retry_reserve;/* 跳转到retry_reserve,从保留的链表中分配页面*/   


33.         }  


34.     }  


35.     /*调试代码*/  


36.     trace_mm_page_alloc_zone_locked(page, order, migratetype);  


37.     return page;  


38. }  

3.2.1 从指定的迁移类型链表中分配页面

从指定order开始从小到达遍历,优先从指定的迁移类型链表中分配页面__rmqueue_smallest(zone, order, migratetype);

1. /* 


2.  * Go through the free lists for the given migratetype and remove 


3.  * the smallest available page from the freelists 


4.  */  


5.  /*从给定的order开始，从小到大遍历； 


6.   找到后返回页面基址，合并分割后的空间*/  


7. static inline  


8. struct page *__rmqueue_smallest(struct zone *zone, unsigned int order,  


9.                         int migratetype)  


10. {  


11.     unsigned int current_order;  


12.     struct free_area * area;  


13.     struct page *page;  


14.   


15.     /* Find a page of the appropriate size in the preferred list */  


16.     for (current_order = order; current_order < MAX_ORDER; ++current_order) {  


17.         area = &(zone->free_area[current_order]);/*得到指定order的area*/  


18.         /*如果area指定类型的伙伴系统链表为空*/  


19.         if (list_empty(&area->free_list[migratetype]))  


20.             continue;/*查找下一个order*/  


21.         /*对应的链表不空，得到链表中数据*/  


22.         page = list_entry(area->free_list[migratetype].next,  


23.                             struct page, lru);  


24.         list_del(&page->lru);/*从伙伴系统中删除；*/  


25.         rmv_page_order(page);/*移除page中order的变量*/  


26.         area->nr_free–;/*空闲块数减一*/  


27.         /*拆分、合并*/  


28.         expand(zone, page, order, current_order, area, migratetype);  


29.         return page;  


30.     }  


31.   


32.     return NULL;  


33. }  

伙伴系统内存块拆分和合并

看一个辅助函数，用于伙伴系统中内存块的拆分、合并

1. /* 


2.  * The order of subdivision here is critical for the IO subsystem. 


3.  * Please do not alter this order without good reasons and regression 


4.  * testing. Specifically, as large blocks of memory are subdivided, 


5.  * the order in which smaller blocks are delivered depends on the order 


6.  * they’re subdivided in this function. This is the primary factor 


7.  * influencing the order in which pages are delivered to the IO 


8.  * subsystem according to empirical testing, and this is also justified 


9.  * by considering the behavior of a buddy system containing a single 


10.  * large block of memory acted on by a series of small allocations. 


11.  * This behavior is a critical factor in sglist merging’s success. 


12.  * 


13.  * — wli 


14.  */  


15.  /*此函数主要用于下面这种情况: 


16.   分配函数从high中分割出去了low大小的内存； 


17.   然后要将high留下的内存块合并放到伙伴系统中；*/  


18. static inline void expand(struct zone *zone, struct page *page,  


19.     int low, int high, struct free_area *area,  


20.     int migratetype)  


21. {  


22.     unsigned long size = 1 << high;  


23.   


24.     while (high > low) {/*因为去掉了low的大小，所以最后肯定剩下的 


25.      是low的大小(2的指数运算)*/  


26.         area–;/*减一到order减一的area*/  


27.         high–;/*order减一*/  


28.         size >>= 1;/*大小除以2*/  


29.         VM_BUG_ON(bad_range(zone, &page[size]));  


30.         /*加到指定的伙伴系统中*/  


31.         list_add(&page[size].lru, &area->free_list[migratetype]);  


32.         area->nr_free++;/*空闲块加一*/  


33.         set_page_order(&page[size], high);/*设置相关order*/  


34.     }  


35. }  

3.2.2 从备用链表中分配页面

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.     struct free_area * area;  


6.     int current_order;  


7.     struct page *page;  


8.     int migratetype, i;  


9.   


10.     /* Find the largest possible block of pages in the other list */  


11.       


12.     /* 从最高阶搜索,这样可以尽量的将其他迁移列表中的大块分割,避免形成过多的碎片 */  


13.     for (current_order = MAX_ORDER-1; current_order >= order;  


14.                         –current_order) {  


15.         for (i = 0; i < MIGRATE_TYPES – 1; i++) {  


16.             /*回调到下一个migratetype*/  


17.             migratetype = fallbacks[start_migratetype][i];  


18.   


19.             /* MIGRATE_RESERVE handled later if necessary */  


20.               


21.               /* 本函数不处理MIGRATE_RESERVE类型的迁移链表,如果本函数返回NULL, 


22.             则上层函数直接从MIGRATE_RESERVE中分配 */  


23.             if (migratetype == MIGRATE_RESERVE)  


24.                 continue;/*访问下一个类型*/  


25.   


26.             area = &(zone->free_area[current_order]);  


27.             /*如果指定order和类型的链表为空*/  


28.             if (list_empty(&area->free_list[migratetype]))  


29.                 continue;/*访问下一个类型*/  


30.             /*得到指定类型和order的页面基址*/  


31.             page = list_entry(area->free_list[migratetype].next,  


32.                     struct page, lru);  


33.             area->nr_free–;/*空闲块数减一*/  


34.   


35.             /* 


36.              * If breaking a large block of pages, move all free 


37.              * pages to the preferred allocation list. If falling 


38.              * back for a reclaimable kernel allocation, be more 


39.              * agressive about taking ownership of free pages 


40.              */  


41.             if (unlikely(current_order >= (pageblock_order >> 1)) ||/* 要分割的页面是一个大页面,则将整个页面全部迁移到当前迁移类型的链表中, 


42.                 这样可以避免过多的碎片 */               


43.                     start_migratetype == MIGRATE_RECLAIMABLE ||/* 目前分配的是可回收页面,这类页面有突发的特点,将页面全部迁移到可回收链表中, 


44.                 可以避免将其他迁移链表分割成太多的碎片 */        


45.                 page_group_by_mobility_disabled) {/* 指定了迁移策略,总是将被分割的页面迁移 */  


46.                   


47.                 unsigned long pages;  


48.                 /*移动到先前类型的伙伴系统中*/  


49.                 pages = move_freepages_block(zone, page,  


50.                                 start_migratetype);  


51.   


52.                 /* Claim the whole block if over half of it is free */  


53.                   


54.                  /* pages是移动的页面数,如果可移动的页面数量较多, 


55.                 则将整个大内存块的迁移类型修改 */          


56.                 if (pages >= (1 << (pageblock_order-1)) ||  


57.                         page_group_by_mobility_disabled)  


58.                     /*设置页面标示*/  


59.                     set_pageblock_migratetype(page,  


60.                                 start_migratetype);  


61.   


62.                 migratetype = start_migratetype;  


63.             }  


64.   


65.             /* Remove the page from the freelists */  


66.             list_del(&page->lru);  


67.             rmv_page_order(page);  


68.   


69.             /* Take ownership for orders >= pageblock_order */  


70.             if (current_order >= pageblock_order)//大于pageblock_order的部分设置相应标示   


71.             /*这个不太可能，因为pageblock_order为10*/  


72.                 change_pageblock_range(page, current_order,  


73.                             start_migratetype);  


74.             /*拆分和合并*/  


75.             expand(zone, page, order, current_order, area, migratetype);  


76.   


77.             trace_mm_page_alloc_extfrag(page, order, current_order,  


78.                 start_migratetype, migratetype);  


79.   


80.             return page;  


81.         }  


82.     }  


83.   


84.     return NULL;  


85. }  

备用链表

1. /* 


2.  * This array describes the order lists are fallen back to when 


3.  * the free lists for the desirable migrate type are depleted 


4.  */  


5.  /*指定类型的链表为空时，这个数组规定 


6.   回调的到那个类型的链表*/  


7. static int fallbacks[MIGRATE_TYPES][MIGRATE_TYPES-1] = {  


8.     [MIGRATE_UNMOVABLE]   = { MIGRATE_RECLAIMABLE, MIGRATE_MOVABLE,   MIGRATE_RESERVE },  


9.     [MIGRATE_RECLAIMABLE] = { MIGRATE_UNMOVABLE,   MIGRATE_MOVABLE,   MIGRATE_RESERVE },  


10.     [MIGRATE_MOVABLE]     = { MIGRATE_RECLAIMABLE, MIGRATE_UNMOVABLE, MIGRATE_RESERVE },  


11.     [MIGRATE_RESERVE]     = { MIGRATE_RESERVE,     MIGRATE_RESERVE,   MIGRATE_RESERVE }, /* Never used */  


12. };  

移动到指定类型的伙伴系统中

1. /*将指定区域段的页面移动到指定类型的 


2.   伙伴系统中，其实就是将页面的类型做了 


3.   更改，但是是采用移动的方式 


4.  


5.  功能和上面函数类似，但是要求以 


6.  页面块方式对其*/  


7. static int move_freepages_block(struct zone *zone, struct page *page,  


8.                 int migratetype)  


9. {  


10.     unsigned long start_pfn, end_pfn;  


11.     struct page *start_page, *end_page;  


12.   


13. /*如下是对齐操作，其中变量pageblock_nr_pages为MAX_ORDER-1*/  


14.     start_pfn = page_to_pfn(page);  


15.     start_pfn = start_pfn & ~(pageblock_nr_pages-1);  


16.     start_page = pfn_to_page(start_pfn);  


17.     end_page = start_page + pageblock_nr_pages – 1;  


18.     end_pfn = start_pfn + pageblock_nr_pages – 1;  


19.   


20.     /* Do not cross zone boundaries */  


21.     if (start_pfn < zone->zone_start_pfn)  


22.         start_page = page;  


23.     /*结束边界检查*/  


24.     if (end_pfn >= zone->zone_start_pfn + zone->spanned_pages)  


25.         return 0;  


26. /*调用上面函数*/  


27.     return move_freepages(zone, start_page, end_page, migratetype);  


28. }  

1. /* 


2.  * Move the free pages in a range to the free lists of the requested type. 


3.  * Note that start_page and end_pages are not aligned on a pageblock 


4.  * boundary. If alignment is required, use move_freepages_block() 


5.  */  


6.  /*将指定区域段的页面移动到指定类型的 


7.   伙伴系统中，其实就是将页面的类型做了 更改，但是是采用移动的方式*/  


8. static int move_freepages(struct zone *zone,  


9.               struct page *start_page, struct page *end_page,  


10.               int migratetype)  


11. {  


12.     struct page *page;  


13.     unsigned long order;  


14.     int pages_moved = 0;  


15.   


16. #ifndef CONFIG_HOLES_IN_ZONE   


17.     /* 


18.      * page_zone is not safe to call in this context when 


19.      * CONFIG_HOLES_IN_ZONE is set. This bug check is probably redundant 


20.      * anyway as we check zone boundaries in move_freepages_block(). 


21.      * Remove at a later date when no bug reports exist related to 


22.      * grouping pages by mobility 


23.      */  


24.     BUG_ON(page_zone(start_page) != page_zone(end_page));  


25. #endif   


26.   


27.     for (page = start_page; page <= end_page;) {  


28.         /* Make sure we are not inadvertently changing nodes */  


29.         VM_BUG_ON(page_to_nid(page) != zone_to_nid(zone));  


30.   


31.         if (!pfn_valid_within(page_to_pfn(page))) {  


32.             page++;  


33.             continue;  


34.         }  


35.   


36.         if (!PageBuddy(page)) {  


37.             page++;  


38.             continue;  


39.         }  


40.   


41.         order = page_order(page);  


42.         list_del(&page->lru);/*将页面块从原来的伙伴系统链表*/  


43.         /*中删除，注意，这里不是一个页面 


44.         *而是以该页面的伙伴块*/  


45.         list_add(&page->lru,/*添加到指定order和类型下的伙伴系统链表*/  


46.             &zone->free_area[order].free_list[migratetype]);  


47.         page += 1 << order;/*移动页面数往上定位*/  


48.         pages_moved += 1 << order;/*移动的页面数*/  


49.     }  


50.   


51.     return pages_moved;  


52. }  

四、慢速分配，允许等待和回收

1. /** 


2.  * 当无法快速分配页面时，如果调用者允许等待 


3.  ，则通过本函数进行慢速分配。 


4.  * 此时允许进行内存回收。 


5.  */  


6. static inline struct page *  


7. __alloc_pages_slowpath(gfp_t gfp_mask, unsigned int order,  


8.     struct zonelist *zonelist, enum zone_type high_zoneidx,  


9.     nodemask_t *nodemask, struct zone *preferred_zone,  


10.     int migratetype)  


11. {  


12.     const gfp_t wait = gfp_mask & __GFP_WAIT;  


13.     struct page *page = NULL;  


14.     int alloc_flags;  


15.     unsigned long pages_reclaimed = 0;  


16.     unsigned long did_some_progress;  


17.     struct task_struct *p = current;  


18.   


19.     /* 


20.      * In the slowpath, we sanity check order to avoid ever trying to 


21.      * reclaim >= MAX_ORDER areas which will never succeed. Callers may 


22.      * be using allocators in order of preference for an area that is 


23.      * too large. 


24.      *//*参数合法性检查*/  


25.     if (order >= MAX_ORDER) {  


26.         WARN_ON_ONCE(!(gfp_mask & __GFP_NOWARN));  


27.         return NULL;  


28.     }  


29.   


30.     /* 


31.      * GFP_THISNODE (meaning __GFP_THISNODE, __GFP_NORETRY and 


32.      * __GFP_NOWARN set) should not cause reclaim since the subsystem 


33.      * (f.e. slab) using GFP_THISNODE may choose to trigger reclaim 


34.      * using a larger set of nodes after it has established that the 


35.      * allowed per node queues are empty and that nodes are 


36.      * over allocated. 


37.      */  


38.          /** 


39.           * 调用者指定了GFP_THISNODE标志，表示不能进行内存回收。 


40.           * 上层调用者应当在指定了GFP_THISNODE失败后，使用其他标志进行分配。 


41.           */  


42.     if (NUMA_BUILD && (gfp_mask & GFP_THISNODE) == GFP_THISNODE)  


43.         goto nopage;  


44.   


45. restart:/*如果调用者没有禁止kswapd，则唤醒该线程进行内存回收。*/  


46.     wake_all_kswapd(order, zonelist, high_zoneidx);  


47.   


48.     /* 


49.      * OK, we’re below the kswapd watermark and have kicked background 


50.      * reclaim. Now things get more complex, so set up alloc_flags according 


51.      * to how we want to proceed. 


52.      */  


53.      /*根据分配标志确定内部标志，主要是用于水线 */  


54.     alloc_flags = gfp_to_alloc_flags(gfp_mask);  


55.   


56.         /** 


57.           * 与快速分配流程相比，这里的分配标志使用了低的水线。 


58.           * 在进行内存回收操作前，我们使用低水线再尝试分配一下。 


59.           * 当然，不管是否允许ALLOC_NO_WATERMARKS标志，我们都将它清除。 


60.           */  


61.     /* This is the last chance, in general, before the goto nopage. */  


62.     page = get_page_from_freelist(gfp_mask, nodemask, order, zonelist,  


63.             high_zoneidx, alloc_flags & ~ALLOC_NO_WATERMARKS,  


64.             preferred_zone, migratetype);  


65.     if (page)/*分配成功，找到页面*/  


66.         goto got_pg;  


67.   


68. rebalance:  


69.     /* Allocate without watermarks if the context allows */  


70. /* 某些上下文，如内存回收进程及被杀死的任务，都允许它完全突破水线的限制分配内存。 */  


71.     if (alloc_flags & ALLOC_NO_WATERMARKS) {  


72.         page = __alloc_pages_high_priority(gfp_mask, order,  


73.                 zonelist, high_zoneidx, nodemask,  


74.                 preferred_zone, migratetype);  


75.         if (page))/* 在不考虑水线的情况下，分配到了内存 */  


76.             goto got_pg;  


77.     }  


78.   


79.     /* Atomic allocations – we can’t balance anything */  


80.     /* 调用者希望原子分配内存，此时不能等待内存回收，返回NULL */  


81.     if (!wait)  


82.         goto nopage;  


83.   


84.     /* Avoid recursion of direct reclaim */  


85. /* 调用者本身就是内存回收进程，不能进入后面的内存回收处理流程，否则死锁 */  


86.     if (p->flags & PF_MEMALLOC)  


87.         goto nopage;  


88.   


89.     /* Avoid allocations with no watermarks from looping endlessly */  


90.     /** 


91.     * 当前线程正在被杀死，它可以完全突破水线分配内存。这里向上层返回NULL，是为了避免系统进入死循环。 


92.     * 当然，如果上层调用不允许失败，则死循环继续分配，等待其他线程释放一点点内存。 


93.     */  


94.     if (test_thread_flag(TIF_MEMDIE) && !(gfp_mask & __GFP_NOFAIL))  


95.         goto nopage;  


96.   


97.     /* Try direct reclaim and then allocating */  


98.     /** 


99.     * 直接在内存分配上下文中进行内存回收操作。 


100.     */  


101.     page = __alloc_pages_direct_reclaim(gfp_mask, order,  


102.                     zonelist, high_zoneidx,  


103.                     nodemask,  


104.                     alloc_flags, preferred_zone,  


105.                     migratetype, &did_some_progress);  


106.     if (page))/* 庆幸，回收了一些内存后，满足了上层分配需求 */  


107.         goto got_pg;  


108.   


109.     /* 


110.      * If we failed to make any progress reclaiming, then we are 


111.      * running out of options and have to consider going OOM 


112.      */  


113.     /* 内存回收过程没有回收到内存，系统真的内存不足了 */  


114.     if (!did_some_progress) {  


115.         /** 


116.          * 调用者不是文件系统的代码，允许进行文件系统操作，并且允许重试。  


117.          * 这里需要__GFP_FS标志可能是进入OOM流程后会杀进程或进入panic，需要文件操作。 


118.          */  


119.         if ((gfp_mask & __GFP_FS) && !(gfp_mask & __GFP_NORETRY)) {  


120.             if (oom_killer_disabled)/* 系统禁止了OOM，向上层返回NULL */  


121.                 goto nopage;  


122.             /** 


123.              * 杀死其他进程后再尝试分配内存 


124.              */  


125.             page = __alloc_pages_may_oom(gfp_mask, order,  


126.                     zonelist, high_zoneidx,  


127.                     nodemask, preferred_zone,  


128.                     migratetype);  


129.             if (page)  


130.                 goto got_pg;  


131.   


132.             /* 


133.              * The OOM killer does not trigger for high-order 


134.              * ~__GFP_NOFAIL allocations so if no progress is being 


135.              * made, there are no other options and retrying is 


136.              * unlikely to help. 


137.              */)/* 要求的页面数量较多，再试意义不大 */  


138.             if (order > PAGE_ALLOC_COSTLY_ORDER &&  


139.                         !(gfp_mask & __GFP_NOFAIL))  


140.                 goto nopage;  


141.   


142.             goto restart;  


143.         }  


144.     }  


145.   


146.     /* Check if we should retry the allocation */  


147.  /* 内存回收过程回收了一些内存，接下来判断是否有必要继续重试 */  


148.     pages_reclaimed += did_some_progress;  


149.     if (should_alloc_retry(gfp_mask, order, pages_reclaimed)) {  


150.         /* Wait for some write requests to complete then retry */  


151.         congestion_wait(BLK_RW_ASYNC, HZ/50);  


152.         goto rebalance;  


153.     }  


154.   


155. nopage:  


156. /* 内存分配失败了，打印内存分配失败的警告 */  


157.     if (!(gfp_mask & __GFP_NOWARN) && printk_ratelimit()) {  


158.         printk(KERN_WARNING “%s: page allocation failure.”  


159.             ” order:%d, mode:0x%x\n”,  


160.             p->comm, order, gfp_mask);  


161.         dump_stack();  


162.         show_mem();  


163.     }  


164.     return page;  


165. got_pg:  


166.     /* 运行到这里，说明成功分配了内存，这里进行内存检测调试 */  


167.     if (kmemcheck_enabled)  


168.         kmemcheck_pagealloc_alloc(page, order, gfp_mask);  


169.     return page;  


170.   


171. }  

总结：Linux伙伴系统主要分配流程为

正常非配（或叫快速分配）流程：

1，如果分配的是单个页面，考虑从per CPU缓存中分配空间，如果缓存中没有页面，从伙伴系统中提取页面做补充。

2，分配多个页面时，从指定类型中分配，如果指定类型中没有足够的页面，从备用类型链表中分配。最后会试探保留类型链表。

慢速（允许等待和页面回收）分配：

3，当上面两种分配方案都不能满足要求时，考虑页面回收、杀死进程等操作后在试。