物理内存组织与分配的核心概念

在 Linux 内核内存管理（尤其是 Buddy System 伙伴系统）中，node、zone、type 和 order 是描述物理内存组织与分配的核心概念。以下是它们的详细解释：

1. Node（NUMA 节点）

• 定义：
  在 NUMA（Non-Uniform Memory Access）架构中，物理内存和 CPU 被划分为多个节点（Node），每个节点包含一部分本地内存和 CPU。访问本地内存速度快于远程内存。
• 作用：
  • 优化内存访问延迟：优先从当前 CPU 所在 Node 分配内存。
  • 管理本地内存资源：每个 Node 独立维护自己的内存区域（Zones）和空闲列表。
• 示例：
  服务器中可能存在多个 NUMA Node（如 Node 0 和 Node 1），每个 Node 服务一组 CPU 核。
  手机一般只有一个Node 0
  

2. Zone（内存区域）

• 定义：
  每个 Node 中的物理内存被划分为多个 Zone，用于处理硬件限制或特殊用途的内存分配。
• 常见 Zone 类型：
  • ZONE_DMA：供 DMA（Direct Memory Access）设备使用的低端内存（通常 ≤16MB）。
  • ZONE_DMA32（64位系统）：支持 32 位地址的 DMA 内存（≤4GB）。
  • ZONE_NORMAL：可直接映射到内核虚拟地址空间的内存（通常 16MB~896MB）。
  • ZONE_HIGHMEM（32位系统）：高端内存，需动态映射到内核虚拟地址空间（>896MB）。
  • ZONE_MOVABLE：可迁移内存，用于减少内存碎片。
• 作用：
  根据内存用途（如 DMA、内核映射）隔离管理，确保特定类型的内存请求得到满足。
  

3. Type（迁移类型）

• 定义：
  在 Zone 内部，内存页框（Page）按 迁移类型（Migrate Type） 分类，用于对抗内存碎片。
• 常见类型：
  • MIGRATE_UNMOVABLE：不可移动（如内核数据结构）。
  • MIGRATE_MOVABLE：可移动（如用户态进程内存）。
  • MIGRATE_RECLAIMABLE：可回收（如文件缓存）。
  • MIGRATE_CMA：连续内存分配专用类型。
• 作用：
  • 将相同迁移类型的页框分组，减少内存碎片。
  • 提高大块连续内存分配的可靠性（如 order > 0 的分配）。
    

4. Order（分配阶数）

• 定义：
  Order 表示伙伴系统中内存块的大小，计算公式为 2^order 个连续页框。
  • order=0 → 1 页（4KB）。
  • order=1 → 2 页（8KB）。
  • order=10 → 1024 页（4MB）。
• 作用：
  • 伙伴系统通过维护不同 Order 的空闲列表（如 free_area[order]）快速分配和释放内存。
  • 高阶内存块不足时，可拆分更高阶的块；释放时合并相邻块以形成更大块。

内存分配流程示例

1. 选择 Node：根据 NUMA 策略（如当前 CPU 的本地 Node）确定目标 Node。
2. 选择 Zone：根据内存用途（如 DMA 请求必须从 ZONE_DMA 分配）。
3. 选择 Type：根据页框迁移类型（如分配用户内存优先选择 MIGRATE_MOVABLE）。
4. 选择 Order：根据请求的大小找到最小满足的 Order。

总结

• Node：NUMA 架构中的内存节点，优化访问局部性。
• Zone：处理硬件限制，隔离不同用途的内存。
• Type：对抗碎片，按页框迁移能力分类。
• Order：伙伴系统中定义内存块大小的阶数。

这些层级结构共同实现高效、灵活的内存管理，平衡性能、碎片控制和硬件兼容性。