Linux内核内存分配机制概述
Linux内核作为操作系统的核心，其内存管理机制的高效性和稳定性直接影响整个系统的性能，内核内存分配与用户空间内存分配存在显著差异，用户空间可使用malloc()等标准库函数，而内核空间则需要一套专门的内存管理方案，以满足实时性、安全性和特殊硬件访问需求，内核内存分配的核心目标包括快速响应、避免碎片化、支持不同大小的内存请求，并确保在多核、中断等复杂环境下的安全性。
物理内存管理
内核首先需要管理物理内存，将其划分为多个区域以适应不同需求，通过伙伴系统（Buddy System）管理连续的物理页框，该机制将内存按2的幂次方大小（如4KB、8KB、1MB等）划分为块，并通过双向链表跟踪不同大小的空闲块，当请求内存时，伙伴系统会查找最合适大小的空闲块；若不存在，则拆分更大的块，直到满足需求，释放内存时，系统会检查伙伴块是否空闲，若空闲则合并，以减少外部碎片。
内核引入了ZONE划分，根据内存特性和用途将物理内存分为ZONE_DMA（用于直接内存访问的老旧设备）、ZONE_NORMAL（常规内存）和ZONE_HIGHMEM（高端内存，用于超过物理地址空间的场景），以适配不同硬件架构和性能需求。
虚拟内存与内核映射
内核空间拥有独立的虚拟地址空间，通过页表映射到物理内存，内核虚拟地址空间通常分为直接映射区（线性映射）、动态映射区（vmalloc）和持久内核映射（kmap）等，直接映射区将物理页框直接映射到内核虚拟地址的固定偏移处，访问效率高；vmalloc则用于分配非连续的物理内存块，通过页表映射实现逻辑连续，适合大块内存分配；kmap主要用于高端内存的临时映射，确保内核可以访问所有物理内存。
内核内存分配器
内核提供了多种内存分配接口，以满足不同场景需求，最常用的是kmalloc()，基于伙伴系统分配小块连续内存（通常不超过4MB），支持标志位（如GFP_KERNEL、GFP_ATOMIC）控制分配行为，GFP_KERNEL允许在可睡眠的上下文中分配内存，可能触发回收；而GFP_ATOMIC则用于中断上下文，禁止睡眠，确保实时性。
对于大块或非连续内存，vmalloc()通过修改页表实现逻辑连续，但访问效率低于kmalloc()，slab分配器（及其变种slub/slob）针对内核中的频繁小对象分配（如inode、task_struct）进行了优化，通过对象池技术减少碎片和分配开销，slab将内存划分为多个缓存（cache），每个缓存管理特定大小对象的空闲链表，大幅提升分配和释放速度。
内存回收与碎片整理
当内存不足时，内核会触发回收机制，包括直接回收（同步回收页面）和kswapd后台回收（异步回收），回收优先级依次为：文件页（如缓存）、匿名页（如swap out），对于碎片问题，内核通过内存压缩（memory compaction）迁移页面，以腾出连续空闲块；而伙伴系统本身通过合并机制减少外部碎片。
特殊场景的内存分配
内核还针对特殊需求提供了专用接口，get_free_pages()直接分配多页连续内存，适用于高性能场景；percpu内存为每个CPU分配独立副本，避免锁竞争；dma_alloc_coherent()则为设备分配DMA兼容的内存，确保硬件可直接访问。
Linux内核内存分配是一个复杂的系统工程，通过伙伴系统、slab分配器、虚拟映射等多层次机制，实现了高效、稳定、灵活的内存管理，从物理页框的精细划分到虚拟地址的灵活映射，从快速分配到碎片回收，内核在性能与安全性之间找到了平衡点，理解这些机制不仅有助于优化内核模块开发,也为深入操作系统底层原理提供了重要视角。
