背景

Read the fucking source code! --By 鲁迅
A picture is worth a thousand words. --By 高尔基

说明：

Kernel版本：4.14
ARM64处理器，Contex-A53，双核
使用工具：Source Insight 3.5， Visio

1. 概述

本文将分析Buddy System。
Buddy System伙伴系统，是通过将物理内存划分为页面来进行管理的系统，支持连续的物理页面分配和释放。此外，使用与碎片相关的算法来确保最大的连续页面。

先通过一个例子大体介绍一下原理吧：
空闲的物理页框按大小分组成0~MAX_ORDER个链表，每个链表存放页框的大小为2的n次幂，其中n在0 ~ MAX_ORDER-1中取值。

假设请求分配2^8 = 256个页框块：

检查n = 8的链表，检查是否有空闲块，找到了则直接返回；
没有找到满足需求的，则查找n = 9的链表，找到512大小空闲块，拆分成两个256大小块，将其中一个256大小块返回，另一个256大小块添加到n = 8的链表中；
在n = 9的链表中没有找到合适的块，则查找n = 10的链表，找到1024大小空闲块，将其拆分成512 + 256 + 256大小的块，返回需要获取的256大小的块，将剩下的512大小块插入n = 9链表中，剩下的256大小块插入n = 8的链表中；

合并过程是上述流程的逆过程，试图将大小相等的Buddy块进行合并成单独的块，并且会迭代合并下去，尝试合并成更大的块。合并需要满足要求：

两个Buddy块大小一致；
它们的物理地址连续；
第一个Buddy块的起始地址为 (2 x N x 4K)的整数倍，其中4K为页面大小，N为Buddy块的大小；

struct page结构中，与Buddy System相关的字段有：

_mapcount：用于标记page是否处在Buddy System中，设置成-1或PAGE_BUDDY_MAPCOUNT_VALUE(-128)；
private：一个2^k次幂的空闲块的第一个页描述符中，private字段存放了块的order值，也就是k值；
index：存放MIGRATE类型；
_refcount：用户使用计数值，没有用户使用为0，有使用的话则增加；

合并时如下图所示：

2. Buddy页面分配

Buddy页面分配的流程如下图所示：

从上图中可以看出，在页面进行分配的时候，有以下四个步骤：

如果申请的是order = 0的页面，直接选择从pcp中进行分配，并直接退出；
order > 0时，如果分配标志中设置了ALLOC_HARDER，则从free_list[MIGRATE_HIGHATOMIC]的链表中进行页面分配，分配成功则返回；
前两个条件都不满足，则在正常的free_list[MIGRATE_*]中进行分配，分配成功则直接则返回；
如果3中分配失败了，则查找后备类型fallbacks[MIGRATE_TYPES][4]，并将查找到的页面移动到所需的MIGRATE类型中，移动成功后，重新尝试分配；

如下图：

上述分配的过程，前3个步骤都会调用到__rmqueue_smallest，第4步调用__rmqueue_fallback，将从这两个函数来分析。

2.1 __rmqueue_smallest

__rmqueue_smallest的源代码比较简单，贴上来看看吧：

static inline
struct page *__rmqueue_smallest(struct zone *zone, unsigned int order,
						int migratetype)
{
	unsigned int current_order;
	struct free_area *area;
	struct page *page;

	/* Find a page of the appropriate size in the preferred list */
	for (current_order = order; current_order < MAX_ORDER; ++current_order) {
		area = &(zone->free_area[current_order]);
		page = list_first_entry_or_null(&area->free_list[migratetype],
							struct page, lru);
		if (!page)
			continue;
		list_del(&page->lru);
		rmv_page_order(page);
		area->nr_free--;
		expand(zone, page, order, current_order, area, migratetype);
		set_pcppage_migratetype(page, migratetype);
		return page;
	}

	return NULL;
}

从代码中可以看出：

从申请的order大小开始查找目标MIGRATE类型链表中页表，如果没有找到，则从更大的order中查找，直到MAX_ORDER；
查找到页表之后，从对应的链表中删除掉，并调用expand函数进行处理；

expand函数的处理逻辑就跟本文概述中讲的例子一样，当在大的order链表中申请到了内存后，剩余部分会插入到其他的order链表中，来一张图就清晰了：

2.2 __rmqueue_fallback

当上述过程没有分配到内存时，便会开始从后备迁移类型中进行分配。
其中，定义了一个全局的二维fallbacks的数组，并根据该数组进行查找，代码如下：

/*
 * This array describes the order lists are fallen back to when
 * the free lists for the desirable migrate type are depleted
 */
static int fallbacks[MIGRATE_TYPES][4] = {
	[MIGRATE_UNMOVABLE]   = { MIGRATE_RECLAIMABLE, MIGRATE_MOVABLE,   MIGRATE_TYPES },
	[MIGRATE_RECLAIMABLE] = { MIGRATE_UNMOVABLE,   MIGRATE_MOVABLE,   MIGRATE_TYPES },
	[MIGRATE_MOVABLE]     = { MIGRATE_RECLAIMABLE, MIGRATE_UNMOVABLE, MIGRATE_TYPES },
#ifdef CONFIG_CMA
	[MIGRATE_CMA]         = { MIGRATE_TYPES }, /* Never used */
#endif
#ifdef CONFIG_MEMORY_ISOLATION
	[MIGRATE_ISOLATE]     = { MIGRATE_TYPES }, /* Never used */
#endif
};

__rmqueue_fallback完成的主要工作就是从后备fallbacks中找到一个迁移类型页面块，将其移动到目标类型中，并重新进行分配。
下图将示例整个流程：

3. Buddy页面释放

页面释放是申请的逆过程，相对来说要简单不少，先看一下函数调用图吧：

当order = 0时，会使用Per-CPU Page Frame来释放，其中：

MIGRATE_UNMOVABLE, MIGRATE_RECLAIMABLE, MIGRATE_MOVABLE三个按原来的类型释放；
MIGRATE_CMA, MIGRATE_HIGHATOMIC类型释放到MIGRATE_UNMOVABLE类型中；
MIGRATE_ISOLATE类型释放到Buddy系统中；
此外，在PCP释放的过程中，发生溢出时，会调用free_pcppages_bulk()来返回给Buddy系统。来一张图就清晰了：

在整个释放过程中，核心函数为__free_one_page，该函数的核心逻辑部分如下所示：

continue_merging:
	while (order < max_order - 1) {
		buddy_pfn = __find_buddy_pfn(pfn, order);
		buddy = page + (buddy_pfn - pfn);

		if (!pfn_valid_within(buddy_pfn))
			goto done_merging;
		if (!page_is_buddy(page, buddy, order))
			goto done_merging;
		/*
		 * Our buddy is free or it is CONFIG_DEBUG_PAGEALLOC guard page,
		 * merge with it and move up one order.
		 */
		if (page_is_guard(buddy)) {
			clear_page_guard(zone, buddy, order, migratetype);
		} else {
			list_del(&buddy->lru);
			zone->free_area[order].nr_free--;
			rmv_page_order(buddy);
		}
		combined_pfn = buddy_pfn & pfn;
		page = page + (combined_pfn - pfn);
		pfn = combined_pfn;
		order++;
	}

__find_buddy_pfn：根据释放页面的pfn计算对应的buddy_pfn，比如pfn = 0x1000, order = 3，则buddy_pfn = 0x1008，pfn = 0x1008, order = 3，则buddy_pfn = 0x1000；
page_is_buddy：将page和buddy进行配对处理，判断是否能配对；
进行combine之后，再将pfn指向合并后的开始位置，继续往上一阶进行合并处理；