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物理页分配机制与实现详解

物理页分配机制与实现详解

源码路径：rk3588/kernel-6.1/mm/page_alloc.c、mmzone.c、vmstat.c
内核版本：Linux 6.1（RK3588 / ARM64）
文档目录：linuxDoc/mm/

目录

一、原理

1.1 伙伴系统（Buddy Allocator）

物理内存按 2^order 个连续页 组成块管理：

  • order 0：单页（4KB，取决于 PAGE_SIZE）
  • order n：2^n 页连续块
  • 分配：在对应 order 空闲链取块；若无则向更高 order 分裂
  • 释放：与 buddy 合并，若 buddy 也空闲则升阶

优点：O(log N) 分配/释放；缺点：外部碎片（有足够空闲页但无足够连续块）。

1.2 Zone 分层

每个 NUMA node（RK3588 UMA 通常仅 node 0）划分为多个 zone：

Zone ARM64 典型用途
DMA32 低 4GB，32 位 DMA 设备
NORMAL 主内存
（CMA 区域） 页带 PageCMA，平时可迁移，CMA 分配时 pin

分配请求通过 zonelist 按策略遍历 zone（本地 node 优先、fallback 等）。

1.3 水位线（Watermark）

每个 zone 维护 min / low / high 三档空闲页阈值：

水位 行为
free > high 正常分配
free ≤ low 唤醒 kswapd 异步回收
free ≤ min 分配器在慢路径 同步 direct reclaim
仍不足 compaction → 可能 OOM

1.4 GFP 与迁移类型

gfp_t 指定分配上下文：是否可睡眠、是否 IO/FS、是否 DMA32、是否 可迁移（MIGRATE_MOVABLE） 等。

迁移类型（migratetype） 将空闲页分类（不可迁移、可迁移、可回收、CMA 等），避免不可移动内核数据阻塞 compaction。

1.5 Per-CPU 页缓存（PCP）

为降低 zone->lock 竞争，每个 CPU 有 per-cpu pageset：小 order 分配优先从本地列表取，批量 refill/drain。

二、实现方式

2.1 总入口：__alloc_pages()

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struct page *__alloc_pages(gfp_t gfp, unsigned int order, int preferred_nid,
							nodemask_t *nodemask)
{
	// ...
	prepare_alloc_pages(...);
	page = get_page_from_freelist(alloc_gfp, order, alloc_flags, &ac);
	if (likely(page))
		goto out;
	page = __alloc_pages_slowpath(alloc_gfp, order, &ac);
out:
	// memcg charge, trace, kmsan ...
	return page;
}

快路径：get_page_from_freelist() 在水位允许时从 zonelist 取页。
慢路径：__alloc_pages_slowpath() → direct reclaim、try_to_compact_pages、再次尝试 freelist，最后 __alloc_pages_may_oom()。

2.2 prepare_alloc_pages

构建 struct alloc_context：

  • 解析 preferred nid、nodemask（NUMA/cpuset）
  • 计算 alloc_flags（ALLOC_WMARK_*、ALLOC_CPUSET 等）
  • 选择起始 zoneref

2.3 get_page_from_freelist

对每个候选 zone：

  1. 检查 水位 + cpuset + spread 等
  2. 调用 rmqueue() 从 buddy 或 PCP 取页
  3. prep_new_page() 初始化页状态

失败则尝试下一个 zone 或降低 watermark 等级（ALLOC_NO_WATERMARKS 仅特殊 GFP）。

2.4 rmqueue 与伙伴合并

  • __rmqueue_smallest：从最小满足 order 的 free_area 取
  • expand()：分裂大块
  • __free_one_page() / free_pages()：释放时 buddy = pfn ^ (1 << order) 尝试合并

2.5 慢路径概要

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__alloc_pages_slowpath
  ├─ wake_all_kswapds()
  ├─ __perform_reclaim()      // direct reclaim
  ├─ try_to_compact_pages()   // 需要连续物理页时
  └─ __alloc_pages_may_oom()

2.6 初始化

阶段 函数 说明
zone 建立 free_area_init() 各 zone 的 free_area、水位
页进入 buddy memblock_free_all 间接 见 01 文档
PCP page_alloc_init() CPU hotplug 注册 page_alloc_cpu_online/dead

2.7 vmstat.c

维护 NR_FREE_PAGES、NR_ALLOC_BATCH、per-zone LRU 统计等，供 /proc/vmstat、/proc/zoneinfo 与回收逻辑读取。

三、关键数据结构与接口

结构/接口 说明
struct zone free_area[]、watermark、percpu pageset
struct free_area 按 order 的空闲链表
__alloc_pages 页分配核心
alloc_pages 包装，返回 page
__get_free_pages 返回内核虚拟地址（非 highmem）
free_pages / __free_pages 释放

order 上限：MAX_ORDER（通常 11，即 4MB 块，与配置相关）。

四、RK3588 平台说明

  • 编解码/显示驱动大块 DMA 常需 高 order 或 CMA；buddy 高 order 失败时依赖 compaction（见 07 文档）。
  • __GFP_DMA32：限制从 DMA32 zone 分配，避免 32 位设备无法访问高物理地址。
  • CMA 页：带 PageCMA，普通 __alloc_pages 在无 CMA 标志时不应长期占用 CMA 池（由 migratetype 与 gfp 约束）。

五、调试与观测

接口/参数 内容
/proc/buddyinfo 各 zone 各 order 空闲块数
/proc/pagetypeinfo 迁移类型分布
/proc/zoneinfo 水位线与统计
min_free_kbytes sysctl，影响 min 水位
watermark_scale_factor 影响 low/high 计算

tracepoint：trace_mm_page_alloc。

附录：源码索引

主题 文件 约略行号
__alloc_pages page_alloc.c 5596
page_alloc_init page_alloc.c 8733
free_area_init page_alloc.c 8393
zone 统计 vmstat.c 全文

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