Linux内核内存分配是操作系统核心功能之一，它直接关系到系统的性能、稳定性和安全性，与用户空间内存管理不同，内核内存分配需要满足实时性、高效性和特殊约束（如不能直接使用malloc等库函数）,因此设计了多种机制来适应不同场景的需求。
内核内存管理的核心原则
内核内存分配的首要原则是快速性，因为中断处理和关键路径不能被长时间阻塞，其次是可靠性，内核必须确保在内存紧张时仍能维持基本功能，还需考虑内存碎片问题，避免因频繁分配释放导致内存空间碎片化，影响后续分配效率，内核采用伙伴系统作为宏观管理机制，同时通过slab/slub/slob分配器处理小对象分配,形成分层管理架构。
伙伴系统：物理页面的宏观管理
伙伴系统是Linux内核管理物理页框的核心机制，主要用于处理较大块内存（以页为单位，1页通常为4KB）的分配与释放，其核心思想是将内存划分为2^k个连续页框的块（k为整数），相同大小的块组成链表，当分配请求到来时，系统寻找最合适的块；若没有，则拆分更大的块，直到满足需求；释放时检查伙伴块是否空闲，若空闲则合并,以减少碎片。
伙伴系统分配规则示例（假设1页=4KB）：
| 分配需求 | 最小分配块 | 拆分过程 |
|———-|————|———-|
| 3页 | 4页 | 从8页块拆分 |
| 5页 | 8页 | 直接分配8页 |
| 1页 | 1页 | 直接分配1页 |
伙伴系统通过页帧号（PFN）和位图管理空闲块，确保分配和释放的时间复杂度为O(log n),有效解决了外部碎片问题。
Slab/Slub/Slob：小对象的精细化分配
对于小于一页的小对象（如内核结构体），直接使用伙伴系统会造成严重浪费，为此，Linux提供了Slab分配器（及其优化版本Slub/Slob），其核心思想是预分配和对象复用，Slab将内存划分为多个“缓存”，每个缓存存储特定类型的小对象，对象释放后不立即归还伙伴系统，而是保留在缓存中供下次使用,避免频繁初始化和销毁的开销。
三种Slab分配器的对比：
| 特性 | Slab分配器 | Slub分配器 | Slob分配器 |
|————|——————|——————|——————|
| 适用场景 | 大型系统（如服务器） | 通用场景 | 嵌入式/内存受限系统 |
| 内存开销 | 较高（维护元数据） | 较低（简化元数据） | 极低（链表管理） |
| 性能 | 较优 | 最优 | 一般 |
| 碎片控制 | 强 | 强 | 弱 |
Slub分配器是当前Linux内核的默认选择，通过每个CPU的缓存（CPU Cache）减少锁竞争,进一步提升分配效率。
特殊场景的内存分配
除了常规分配，内核还需处理特殊场景需求：
- 高内存（Highmem）：在32位系统中，物理地址超过896MB的区域被称为高内存，不能直接映射到内核地址空间，需通过
kmap临时映射，使用后及时解映射。 - DMA内存：直接内存访问（DMA）要求物理内存连续且位于特定地址范围，需通过
dma_alloc_coherent等接口分配，并确保满足设备硬件要求。 - 实时内存分配：实时进程需避免内存分配导致的不可预测延迟，内核提供了
__get_free_pages等无锁接口，并支持内存锁定（mlock）防止换出。
内存分配的优化与挑战
内核内存分配面临的主要挑战包括内存碎片（外部碎片通过伙伴系统缓解，内部碎片通过Slab优化）、内存压力（通过oom_killer机制选择终止进程）、性能瓶颈（通过per-CPU缓存和减少锁竞争优化），现代内核引入了内存池（mempool）机制，为关键路径（如块设备IO）预留内存,避免在内存紧张时分配失败。
Linux内核内存分配通过伙伴系统、Slab分配器及特殊分配机制的协同工作，实现了高效、可靠的内存管理，这种分层设计既满足了宏观物理页面的合理利用，又优化了小对象的分配效率，同时兼顾了实时性和特殊场景需求，随着内核版本的迭代，内存管理机制仍在持续优化,以适应不断增长的硬件规模和复杂的应用场景。
