页面周转

本文以Linux-3.11.0为例。

内核中所有物理内存都有其对应的page结构，这些page在整个系统的运行中，会处于下图的5个状态中。

Freeze Page：并非所有内存都可以用于分配，有些内存被内核所保留使用，例如：内核映像本身所处的内存空间、一些硬件要求需要保留的地址区间、内核中一些固有的数据结构（如page结构本身）等。系统在初始化阶段将这些内存所对应的地址标识为reserve，在初始化完成时，并不会将这些reserve的地址对应的page结构释放入空闲页面管理区。因此这部分page始终处于Freeze Page状态，它们既不会被分配，也不会被释放。

流程1：在初始化完成时，将没有reserve的page结构通过__free_pages函数直接释放到空闲页面管理区中（通过free_all_bootmem触发）。这些页面就可以在系统运行过程中被分配、释放。

Hot Cold：为了便于单个页面的快速分配和释放，内核为每个cpu建立了一个冷热队列（Hot Cold List）。

Free Area：每个区间（Zone）对应一组（通常为11个）Free Area队列，每个队列用于管理大小为2^n的连续物理页面。

流程2：释放单个页面时，直接挂入冷热队列（__free_pages -> free_hot_cold_page）。

流程3：释放多个页面（2^n个页面，且n >= 1 ）时，挂入对应的Free Area队列（__free_pages -> __free_pages_ok）。同时如果满足页面合并的条件，还会将页面合并后挂入更高阶的Free Area队列。

流程4：页面挂入冷热队列后，如果发现队列中的页面数量超过一定的阀值，则将部分页面移到相应的Free Area队列中（free_pcppages_bulk）。

流程5：分配单个页面时，直接从冷热队列中获取（buffered_rmqueue）。

流程6：分配单个页面时，如果冷热队列中的页面不足，则从Free Area队列中再获取一些（buffered_rmqueue -> rmqueue_bulk）。

流程7：分配多个页面时，从某个Zone的Free Area队列中寻找满足条件的页面进行分配（buffered_rmqueue ->__rmqueue）。