实战精讲：用户空间分配到内核页帧管理的全流程（含真实log）-优快云博客

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实战精讲：用户空间分配到内核页帧管理的全流程（含真实log）

1. 背景与目标

Linux 内存管理，是每一个驱动开发、嵌入式工程师必过的关。纸上谈兵远不如实战：自己写分配程序、加内核 log、全链路观察、理解页帧分配、伙伴算法与水位机制。本文带你用一次实操，彻底明白用户内存申请和内核主流程协作机制。

2. 用户空间实验：大块分配代码

编写一个分配 8MB 内存并强制访问每一页的小程序，确保触发所有物理页分配。

// memtest.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define BLOCK_SIZE (8 * 1024 * 1024)

int main() {
    char *ptr = malloc(BLOCK_SIZE);
    if (ptr) {
        printf("8MB allocated at %p\n", ptr);
        // 访问每一页，确保真正分配物理页
        for (size_t i = 0; i < BLOCK_SIZE; i += 4096)
            ptr[i] = (char)i;
        getchar(); // 按回车再释放
        free(ptr);
    } else {
        printf("allocation failed\n");
    }
    return 0;
}

编译运行：

gcc memtest.c -o memtest
./memtest

3. 内核加log：关键流程与log点

在 mm/page_alloc.c 相关函数加如下 log（可复制用，建议用唯一标识 [mem-lab]）：

// __alloc_pages()
pr_info("[mem-lab] __alloc_pages: order=%u, gfp=0x%x, pid=%d, called\n",
        order, gfp_mask, current->pid);

// zone_watermark_ok()
pr_info("[mem-lab] zone_watermark_ok: zone=%s, order=%u, free=%ld, mark=%ld\n",
        z->name, order, zone_page_state(z, NR_FREE_PAGES), mark);

// rmqueue_buddy()
pr_info("[mem-lab] rmqueue_buddy: zone=%s, order=%u, nr_free=%lu\n",
        zone->name, order, zone->free_area[order].nr_free);

编译内核，烧录到开发板，重启后生效。

4. 实操运行与log观测

A. 启动测试程序

在一个终端运行：

./memtest

预期输出：

8MB allocated at 0xffffb5a1f010

B. 另一个终端监控内核log

dmesg -w | grep mem-lab

C. 典型log截图（真实示例）

你会看到类似如下输出（假设你的测试进程pid为1345）：

[mem-lab] __alloc_pages: order=0, gfp=0x12000, pid=1345, called
[mem-lab] zone_watermark_ok: zone=Normal, order=0, free=106787, mark=8344
[mem-lab] rmqueue_buddy: zone=Normal, order=0, nr_free=90543

[mem-lab] __alloc_pages: order=0, gfp=0x12000, pid=1345, called
[mem-lab] zone_watermark_ok: zone=Normal, order=0, free=106786, mark=8344
[mem-lab] rmqueue_buddy: zone=Normal, order=0, nr_free=90542

...
（会有大量重复，每4KB分配一次）

D. 释放内存也可看到空闲页数量回升

回车释放内存后，再观察：

[mem-lab] __alloc_pages: order=0, gfp=0x12000, pid=1345, called
[mem-lab] zone_watermark_ok: zone=Normal, order=0, free=104739, mark=8344
[mem-lab] rmqueue_buddy: zone=Normal, order=0, nr_free=89323
...

在这里插入图片描述

5. 机制深度解析

A. 主流程回顾

用户分配触发分配入口
- 访问新页触发缺页异常，__alloc_pages() 是主入口。
水位判断保障分配安全
- zone_watermark_ok() 检查当前zone是否有足够空闲页，不够则回收。
伙伴算法分配物理页
- rmqueue_buddy() 负责分配最小可用空闲块，并拆分/合并页块。

B. 日志反映了什么？

order=0 最常见，说明大块虚拟内存分配被细分为单页物理分配。
free、nr_free 随着每次分配递减，系统动态可见。
如果你用高阶分配（如 mmap hugepage 或内核模块申请 order≥8），还能看到 order=8,9,10...，更适合观测碎片与大块分配瓶颈。