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??????? 欢迎大家一起技术交流，本博客主要是自己学习的心得体会,只为每天进步一点点！
个人座右铭：
???????? 1.没有横空出世，只要厚积一定发。
???????? 2.你可以学历不高，你可以不上学，但你不能不学习
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前言、内存管理子系统图
一、伙伴分配器
????????内核初始化完毕后，使用页分配器管理物理页，当前使用的页分配器就是伙伴分配器，伙伴分配器的特点就是管理算法简单高效
1.基本伙伴分配器
??????? 连续的物理页成为页块（page block）,阶（order）是页的数量单位，2的n次方个连接物理页称为n阶页块，满足以下条件的两个n阶页块称为伙伴（buddy）。
??????? （1）两个页块是相邻的，即物理地址是连续的。
??????? （2）页块的第一页的物理面页号必须是2的n次方的整数倍
??????? （3）如果合并（n+1）阶页块，第一页的物理页号必须是2的括号（n+1）次方的整数倍
??????? 伙伴分配器和释放物理页的数量单位也为阶（order）。
??????? 分配n阶页块过程：
??????? 以单页为说明，0号页和1号页是伙伴，2号页和3号页是伙伴。1号页和2号页不是伙伴？
??????? 因为1号页和2号页合并组成1阶页块，第一页的物理号不是2的整数倍。
2.分区伙伴分配器
????????内存区域的结构体成员free_area用来维护空闲页块，数组下标对应页块的除数。结构体free_area的成员free_list是空闲页块的链表，nr_free是空闲页块的数量。内存区域的结构体成员managed_pages是伙伴分配器管理的物理页的数量。
??????? 内核在基本伙伴分配器基础上进一步扩展：
??????? （1）支持内存节点和区域，称为分区的伙伴分配器
??????? （2）为预防内存碎片，把物理页根据可移动性分组
??????? （3）针对分配页做性能优化，为减少处理器之间的锁竞争，在内存区域增加1个处理器页集合。
2.1内存区域数据结构分析
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?2.2区域水线数据结构分析
??????? 首选的内存区域在什么情况下从备用区域借用物理页？此问题从区域水线讲解深入理解，每个内存区域有3个水线。
??????? （1）高水线（HIGH）：如果内存区域的空闲页数大于高水线，说明该内存区域的内存充足
??????? （2）低水线（LOW）：如果内存区域的空闲页数小于低水线，说明该内存区域的内存轻微不足
??????? （3）最低水线（MIN）：如果内存区域空闲页数小于最低水线，说明该内存区域的内存严重不足
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enum zone_watermarks {
????????WMARK_MIN,
????????WMARK_LOW,
????????WMARK_HIGH,
????????NR_WMARK
};
struct zone {
????????/* Read-mostly fields */
????????/* zone watermarks, access with *_wmark_pages(zone) macros */
????????unsigned long watermark[NR_WMARK];
????????......
????????atomic_long_t vm_stat[NR_VM_ZONE_STAT_ITEMS];
} cacheline_internodealigned_in_smp
?2.3计算水线的两个参数
?2.4计算水线的方法
?二、slab、slub、slob块分配器
1.基本概念
????????Buddy提供以page为单位的内存分配接口，这对内核来说颗粒度还太大，所以需要一种新的机制，将page拆分为更小的单位来管理。
????????Linux中支持的主要有：slab、slub、slob。其中slob分配器的总代码量比较少，但分配速度不是最高效的，所以不是为大型系统设计，适合内存紧张的嵌入式系统。
2.slab块分配器原理
????? slab分配器的作用不仅仅是分配小块内存，更重要的作用是针对经常分配和释放的对象充当缓存。slab分配器的核心思路是：为每种对象类型创建一个内存缓存，每个内存缓存由多个大块组成，一个大块是由一个或多个连续的物理页，每个大块包含多个对象。slab采用面向对象的思想，基于对象类型管理内存，每种对象被划分为一类，比如进程描述符task_struct是一个类，每个进程描述符实例是一个对象。如下图所示为内存缓存的组成结构：
slab分配器在某些情况下表现不太优先，所以Linux内核提供两个改进的块分配器：
（1）在配备大量物理内存的大型计算机上，slab分配器的管理数据结构的内存开销比较大，所以设计了slub分配器；
（2）在小内存的嵌入式设备上，slab分配器的代码过多、相当复杂，所以设计一个精简slob分配器。目前slub分配器已成为默认的块分配器。
?3.系统接口
通用的内存缓存的编程接口如下：
（1）分配内存kmalloc：kmalloc（size_t size,gfp_t flags）
（2）重新分配内存krealloc：krealloc(const void *p,size_t new_size,gpf_t flags)
（3）释放内存kfree;kfree(const void *objp)
创建专用的内存缓存编程接口如下：
（1）创建内存缓存kmem_cache_create
（2）指定内存缓存分配kmem_cache_alloc
（3）释放对象kmem_cache_free
（4）销毁内存缓存keme_cache_destroy
?4.内核缓存数据结构
?内核缓冲数据结构如下图：
?5.计算slab长度及着色
（1）计算slab
????????函数calculate_slab_order负责计算slab长度，从0阶到kmalloc()函数支持最大除数KMALLOC_MAX_ORDER 。
????????
（2）着色
????? slab是一个或多个连续的物理页，起始地址总是页长度的整数倍，不同slab中相同偏移的位置在处理器一级缓存中的索引相同。如果slab的剩余部分的长度超过一级缓存行的长度，剩余部分对应的一级缓存行没有被利用；如果对象的填充字节的长度超过一级缓存行的长度，填充字节对应的一级缓存行没有被利用。这两种情况导致处理器的某些缓存行被过度使用，另一些缓存行很少使用。
6.每处理器的数据缓存
????????内存缓存为每个处理器创建一个数组缓存（结构体array_cahce）。释放对象时，把对象存放到当前处理器对应的数组缓存中；分配对象的时候，先从当前处理器的数组缓存分配对象，采用后进先出（Last In First Out，LIFO）的原则，这种做可以提高性能。
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7.slab分配器支持UNMA体系结构
内存缓存针对每个内存节点创建一个kmem_cache_node实例
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?8.回收内存
??????? 对于所有对象空闲的slab，没有立即释放，而是放在空闲slab链表中。只有内存节点上空闲对象的数量超过限制，才开始回收空闲slab，直到空闲对象的数量小于或等于限制。结构体kmem_cache_node的成员slabs_free是空闲slab链表的头节点，成员free_objects是空闲对象的数量，成员free_limit是空闲对象的数量限制
?节点x的空闲对象的数量限制=（1+节点的处理器数量）*keme_cache.batchcount+kmem_cache.num
三、不连续页分配器
????????当设备长时间运行后，内存碎片化，很难找到连续的物理页。在这种情况下，如果需要分配长度超过一页的内存块，可以使用不连续页分配器，分配虚拟地址连续但是物理地址不连续的内存块。在32位系统中不连分配器还有一个好处：优先从高端内存区域分配页，保留稀缺的低端内存区域。
1.系统编程接口
（1）不连续页分配器提供的编程接口
????????vmalloc:分配不连续的物理页并且把物理页映射到连续的虚拟地址空间
????????vfree:释放vmalloc分配的物理页和虚拟地址空间
????????vmap:把已经分配的不连续物理页映射到连续的虚拟地址空间
????????vunmap:释放使用vmap分配的虚拟地址空间
（2）内核提供函数接口
????????kvmalloc：首先尝试使用kmalloc分配内存块，如果失败，那么使用vmalloc函数分配不连续的物理页
????????kvfree：如果内存块是使用vmalloc分配的，那么使用vfree释放，否则使用kfree释放
2.数据额结构
不连续页分配器的数据结构关系如下：
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?????????每个虚拟内存区域对应一个vmap_area实例；
????????每个vmap_area实例关联一个vm_struct实例；
3.技术原理
????????vmalloc虚拟地址空间的范围是（VMALLOC_START,VMALLOC_END），每种处理器架构都需要定义这两个宏。
如ARM64架构定义宏如下：
