深入理解 Slab / Buddy 分配器与 MMU 映射机制
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深入理解 Slab / Buddy 分配器与 MMU 映射机制
在现代 Linux 内核中，物理内存的管理和虚拟地址的映射是系统性能和资源调度的核心。本文将系统讲解 Slab 分配器和 Buddy 分配器如何管理物理内存，并进一步分析 MMU 如何通过四级页表将这些物理内存映射到虚拟地址空间。
一、Buddy 分配器：以页为单位的物理内存管理
Buddy 分配器是 Linux 核心的物理页分配器，它以 2^n 页为单位分配连续的内存块，适合于大块内存分配需求。
基本功能
- 分配单位：1 页 = 4KB (x86_64)
- 支持 2^n 页的分配（如 4KB, 8KB, 16KB, …, 1MB 等）
- 重构形成 Buddy 对，便于合并和释放
示例
请求 16KB 内存：
alloc_pages(GFP_KERNEL, 2) // 2^2 = 4 页 = 16KB
返回一个连续的 16KB 物理地址指针
二、Slab 分配器：对象级别的内存管理
Slab 分配器用于小块内存分配，不能简单通过 buddy 分配器分配不同颜色大小的内存块。Slab 通常依赖于 buddy 分配器进行基础页分配，然后将页内分割为小对象。
示例
kmalloc(64, GFP_KERNEL) // 分配 64 字节
- slab 分配器会找到 64-byte 的 cache
- 如果无空，则从 buddy 分配 1 页 (4KB)
- 切割为 64-byte * 64 个对象
三、MMU 与四级页表映射机制
由于操作系统对多连续和线性虚拟内存的需求，需要通过四级页表把虚拟地址 (VA) 映射成物理地址 (PA)，用于 MMU 转换。
四级页表结构详解（以 x86_64 为例）
| 页表级别 | 位数 | 索引项数 | 控制范围 |
|---|---|---|---|
| PGD（顶层） | 9 | 512 | 512 GB |
| PUD（上层） | 9 | 512 | 1 GB |
| PMD（中间） | 9 | 512 | 2 MB |
| PTE（底层） | 9 | 512 | 4 KB |
| 页内偏移 | 12 | - | 4 KB |
48 位虚拟地址 = 9 + 9 + 9 + 9 + 12
四级页表拆解结构图：
|<----- 9 ---->|<---- 9 ---->|<---- 9 ---->|<---- 9 ---->|<-- 12 -->|
+--------------+-------------+-------------+-------------+----------+
| PGD Index | PUD Index | PMD Index | PTE Index | Offset |
+--------------+-------------+-------------+-------------+----------+
- PGD：Page Global Directory（页全局目录）
- PUD：Page Upper Directory（页上级目录）
- PMD：Page Middle Directory（页中级目录）
- PTE：Page Table Entry（页表项）
- Offset：页内偏移
四级页表查找流程图
graph TD;A[虚拟地址 (VA)] --> B[CR3 - PGD 基地址]B --> C[PGD 索引]C --> D[PUD 索引]D --> E[PMD 索引]E --> F[PTE 索引]F --> G[页框号 + Offset 得到物理地址]
四级页表转换详细步骤
- CR3 寄存器中保存 PGD（页全局目录）的物理地址。
- 取虚拟地址的高 9 位，找到 PGD 的索引项，得到下一级 PUD 的物理地址。
- 取虚拟地址次高 9 位，找到 PUD 的索引项，得到下一级 PMD 的物理地址。
- 再取 9 位，查找 PMD 的索引项，获得 PTE 的物理地址。
- 最低的 9 位用于查找 PTE 表中的页表项（含物理页框号 PFN）。
- 最后的 12 位页内偏移，加到物理页框基地址上，形成最终物理地址。
示例：虚拟地址到物理地址
假设虚拟地址为：0x00007F12_3456789A
分解：
- PGD 索引：[47:39] = 0x0F
- PUD 索引：[38:30] = 0x3C
- PMD 索引：[29:21] = 0x15
- PTE 索引：[20:12] = 0x1A
- Offset：[11:0] = 0x89A
假设每级查找后页表物理地址分别如下：
- PGD[0x0F] -> PUD @ 0x00200000
- PUD[0x3C] -> PMD @ 0x00300000
- PMD[0x15] -> PTE @ 0x00400000
- PTE[0x1A] -> PFN = 0x00500000
最终物理地址：
0x00500000 + 0x89A = 0x0050089A
完整映射流程（结构示意图）：
graph TD;VA[虚拟地址 0x00007F12_3456789A]VA --> PGD[PGD[0x0F] @ 0x00100000]PGD --> PUD[PUD[0x3C] @ 0x00200000]PUD --> PMD[PMD[0x15] @ 0x00300000]PMD --> PTE[PTE[0x1A] @ 0x00400000]PTE --> PA[物理页框 0x00500000]PA --> FINAL[最终物理地址 0x0050089A]
四、Slab/Buddy 分配与 MMU 映射的关系
-
Buddy 分配器分配物理页，供：
- 用户端虚拟内存（进程空间）
- 内核空间内存（kmalloc/slab/cache）
- 内核模块、页表、内核堆栈等
-
Slab 分配器依赖 buddy 分配页，将页切割为对象，重用已分配物理内存块
-
MMU + 四级页表完成虚拟地址空间到这些物理页的映射。进程或内核访问虚拟地址时，MMU 通过四级页表找到实际物理页，实现隔离、保护和高效内存访问。
五、核心要点总结
- Buddy / Slab 都分配物理内存，只不过粒度和用途不同
- 虚拟地址通过四级页表结构映射到物理地址，MMU 保证进程空间隔离和内存保护
- 四级页表结构的每一级都影响性能和内存消耗，实际 Linux 支持巨页（1GB/2MB）减少多级查表
六、参考流程图
graph TD;U[用户/内核分配虚拟内存] --> K[Slab/Buddy 向内核申请物理页]K --> MMU[MMU 建立虚拟到物理映射（四级页表）]MMU --> X[进程/内核通过虚拟地址访问数据]X --> MMU2[MMU 查页表，定位物理地址]MMU2 --> RAM[物理内存访问]
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