Linux页框分配器之内存碎片化整理

Linux页框分配器之内存碎片化整理

在Linux操作系统中，内存管理是至关重要的组成部分。页框分配器作为内存管理的关键模块，负责将物理内存页分配给进程。然而，随着进程的创建和销毁，内存或许会出现碎片化现象，影响系统的性能。本文将探讨Linux页框分配器怎样处理内存碎片化问题。

一、内存碎片化概述

内存碎片化是指内存中空闲空间被分割成许多小块，这些小块的大小和位置或许不适合当前的内存分配需求。内存碎片化分为两种类型：内部碎片和外部碎片。

1. 内部碎片

内部碎片是指分配给进程的内存页比进程实际需要的内存页要大，致使内存页内部有未使用的空间。内部碎片通常由页框分配器造成，例如，固定大小的内存页分配策略或许会致使内部碎片。

2. 外部碎片

外部碎片是指系统中存在多个足够大的空闲内存页，但它们不连续，无法满足进程的内存分配请求。外部碎片由进程的动态内存分配和释放造成。

二、Linux页框分配器概述

Linux页框分配器负责管理物理内存页的分配和回收。它通过维护一个页框链表来实现内存的动态分配。Linux页框分配器核心分为两种模式：正常模式和压缩模式。

1. 正常模式

在正常模式下，页框分配器将物理内存页分为大小相等的页框。每个页框可以自由地分配给进程或回收。这种模式下，内存分配和回收高效较高，但或许致使内部碎片。

2. 压缩模式

在压缩模式下，页框分配器会尝试合并相邻的空闲页框，形成一个更大的空闲区域，从而减少外部碎片。这种模式下，内存分配和回收高效较低，但可以减少外部碎片。

三、内存碎片化整理策略

为了解决内存碎片化问题，Linux页框分配器采用了以下几种策略：

1. 分页策略

分页策略是指将物理内存页划分为固定大小的页框。这种策略可以减少内部碎片，但或许致使外部碎片。Linux系统通常采用4KB或8KB的页框大小。

2. 预留策略

预留策略是指为系统保留一部分内存页，用于应对紧急情况。这种策略可以减少外部碎片，但或许会降低系统可用内存。

3. 回收策略

回收策略是指将不再使用的内存页回收，并尝试合并相邻的空闲页框。这种策略可以减少外部碎片，但或许会影响系统性能。

4. 压缩策略

压缩策略是指将压缩模式下的空闲页框合并，形成一个更大的空闲区域。这种策略可以减少外部碎片，但或许会降低内存分配和回收高效。

四、代码示例

以下是一个易懂的Linux页框分配器示例，展示了内存页的分配和回收过程。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define PAGE_SIZE 4096 // 页框大小
#define MAX_PAGES 1024 // 最大页框数量
// 页框结构体
typedef struct {
    int id; // 页框ID
    int is_free; // 是否空闲
    struct Page *next; // 指向下一个页框
} Page;
// 页框分配器
typedef struct {
    Page *pages[MAX_PAGES]; // 页框链表
    int num_free; // 空闲页框数量
} FrameAllocator;
// 初始化页框分配器
void initFrameAllocator(FrameAllocator *allocator) {
    for (int i = 0; i < MAX_PAGES; i++) {
        allocator->pages[i] = (Page *)malloc(sizeof(Page));
        allocator->pages[i]->id = i;
        allocator->pages[i]->is_free = 1;
        allocator->pages[i]->next = NULL;
    }
    allocator->num_free = MAX_PAGES;
}
// 分配内存页
Page *allocatePage(FrameAllocator *allocator) {
    for (int i = 0; i < MAX_PAGES; i++) {
        if (allocator->pages[i]->is_free) {
            allocator->pages[i]->is_free = 0;
            allocator->num_free--;
           
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