mm/page_alloc.c-育师

mm/page_alloc.c是 Linux 内核内存管理子系统中最核心、最庞大的文件之一，主要负责物理内存页的分配与释放，也就是常说的伙伴系统（Buddy System）的实现。它是所有物理内存分配（如alloc_pages、__get_free_pages、kmalloc的底层）的最终落脚点。

下面按功能模块梳理它的主要职责：

1. 伙伴系统（Buddy System）的核心实现

这是该文件最根本的功能：管理物理内存的页框（page frame），以 2 的幂次为单位进行分配和释放。

__free_one_page()：释放一个页块时，检查其"伙伴"页块是否空闲，若空闲则合并成更大的块，并递归向上合并。
__rmqueue()/__rmqueue_smallest()/__rmqueue_fallback()：从空闲链表中摘取合适大小的页块；当指定迁移类型（migrate type）没有空闲块时，会从其他迁移类型"偷取"（fallback）。
expand()：当只需要小块但只有大块空闲时，把大块逐级分裂成小块。
__find_buddy_pfn()：通过 PFN 异或运算快速找到伙伴页框。

空闲页块按order（阶）组织在free_area[order]中，每个 order 下又按迁移类型（MIGRATE_UNMOVABLE / MOVABLE / RECLAIMABLE 等）分成多个链表，以尽量保持内存的连续性、减少碎片。

2. 每 CPU 页框缓存（Per-CPU Pages, PCP）

为了减少对 zone 锁的争用、提高分配速度：

per_cpu_pages/per_cpu_pageset：每个 CPU 每个 zone 维护一个本地页框缓存。
rmqueue_pcplist()/rmqueue_bulk()：优先从本地缓存分配，缓存空了才批量从伙伴系统补充。
free_unref_page()/free_pcppages_bulk()：释放时先放入本地缓存，达到高水位再批量归还伙伴系统。
相关水位：pcp->high、pcp->batch、pcp->low。

这是现代内核分配热路径的关键优化。

3. 分配接口（对外 API）

向上层提供多种粒度的物理内存分配函数：

函数	说明
`alloc_pages()`/`alloc_pages_node()`	分配 2^order 个连续物理页，返回`struct page *`
`__get_free_pages()`/`__get_free_page()`	返回虚拟地址的分配
`get_zeroed_page()`	分配并清零一页
`__alloc_pages()`/`__alloc_pages_noprof()`	核心分配函数，含完整的慢路径
`__alloc_pages_slowpath()`	慢路径：唤醒 kswapd、直接回收、内存规整、OOM 等
`__alloc_pages_direct_compact()`	内存规整（compaction）
`__alloc_pages_direct_reclaim()`	直接回收
`__alloc_pages_may_oom()`	触发 OOM killer

GFP 标志（gfp_t）的处理也在这里，例如GFP_KERNEL、GFP_ATOMIC、__GFP_ZERO、__GFP_HIGHMEM等，决定从哪个 zone 分配、能否睡眠/回收。

4. 释放接口

free_pages()/__free_pages()：释放页块，最终调用__free_one_page()。
free_unref_page()/free_pages_prepare()：释放前的检查与准备（如检查 page 引用计数、处理PageAnon、PageDirty等）。
__put_page()/put_page()：减少引用计数，归零时释放。

5. 内存水位与回收触发

zone_watermark_ok()/zone_watermark_fast()：检查 zone 是否达到水位（WMARK_MIN/LOW/HIGH）。
__zone_watermark_ok()：考虑保留页、迁移类型后的水位判断。
wake_all_kswapds()：水位不足时唤醒 kswapd 后台回收。
should_reclaim_retry()/should_compact_retry()：慢路径中的重试策略。

6. 内存热插拔与初始化

free_area_init()/free_area_init_nodes()：初始化每个 node/zone 的free_area、zone结构。
build_all_zonelists()：构建 zone 的分配顺序列表（zonelist）。
memmap_init()/memmap_init_range()：初始化struct page数组。
__init_single_page()：初始化单个 page 结构。
与CONFIG_MEMORY_HOTPLUG相关的online_pages()、offline_pages()也在部分版本中涉及。
memblock交互：早期内存从 memblock 移交给伙伴系统。

7. 内存碎片化与迁移类型

MIGRATE_UNMOVABLE / MOVABLE / RECLAIMABLE / RESERVE / ISOLATE / CMA等迁移类型的维护。
set_pageblock_migratetype()/get_pageblock_migratetype()：设置/获取页块迁移类型。
__rmqueue_fallback()：防止碎片化的关键逻辑，避免破坏大块连续内存。
find_suitable_fallback()：寻找可回退的迁移类型。
与 CMA（连续内存分配器）、__GFP_CMA的交互。

8. 页块隔离与内存规整配合

alloc_contig_range()/__alloc_contig_migrate_range()：分配连续物理内存（用于 CMA、hugetlb 等）。
isolate_freepages()/isolate_migratepages()（部分在compaction.c，但入口在 page_alloc 中协调）。
has_unmovable_pages()/is_pageblock_removable_nolock()：判断页块是否可移动/可移除。