中移（苏州）软件技术有限公司面试问题与解答（6）—— Linux内存管理之内存规整-编程知识

接前一篇文章：中移（苏州）软件技术有限公司面试问题与解答（0）—— 面试感悟与问题记录

本文内容参考：

linux内存管理笔记(四十二）----内存规整

特此致谢！

本文对于中移（苏州）软件技术有限公司面试问题中的“Linux内存规整有哪几种情况，即内存规整有几种方式？内存规整是主动发生还是被动发生？”进行解答与解析。

一、为什么需要内存规整？

内存可以说是计算机系统中最为宝贵的资源了，基本属于越多越不嫌多、永远感觉不够用。当系统长时间运行后，难免会遇到内存紧张的时候，这时候就需要内核将那些不经常使用的内存页面进行回收、或者将那些可以迁移的页面进行内存规整，从而腾出连续的物理内存页面供后续分配和使用。

本回我们只围绕内存规整展开讲解。伙伴系统是以页为单位管理内存，内存碎片也是基于页面，即由大量离散且不连续的页面组成，这就是外部碎片。所以内核对于内存碎片化，需要重新规划调整（迁移），让原本不连续的物理页面变得连续，这就是内存规整技术产生的原因。

二、内存规整的基本原理

Linux使用的是虚拟地址，以提供进程地址空间的隔离。它还带来一个好处，就是像vmalloc这种分配，不用太在乎实际使用的物理内存的分配是否连续，因此也就弱化了物理内存才会面临的内存碎片化问题。但是如果使用的时kmalloc，则要求物理内存必须连续，系统中空闲内存的总量（比如空闲时10个page），大于申请的内存大小，但是没有连续的物理内存，我们就可以通过migrate（迁移/移动）空闲的page frame，来聚合形成满足需求的连续的物理内存。

对于内存规整技术，其核心的思想是把内存页面按照可移动、可回收、不可移动等特性进行分类。详细说明如下：

可移动的页面：是指用户程序分配的内存，移动这些页面仅仅是需要修改页表映射关系，代价很低。
可回收的页面：是指不可以移动但可以释放的内存。
不可移动的页面：目前的内核使用的物理页面。

下面来演示一下规整（compaction）算法的工作原理。代码中会运行两个独立的扫描；一个扫描从区域的底部（bottom）开始（如下图所示从左往右进行扫描），一边扫描一边将可以移动（movable）的页框记录到一个列表中：

另一个扫描从区域的顶部（top）开始（如下图所示从右往左），创建另一个列表，用于记录可作为页框迁移目标的空闲页框位置：

最终，两个扫描会在域中间的某个位置相遇（意味着扫描结束）。

这里顺带提一下，这种方式是一个经典的算法，同时也是一道经典的面试题（虽然不在中移的面试题中，但笔者印象中遇到过两次，一次是将近十年之前的一家小公司的面试，另一次是前不久小米的面试）。

此时，剩下的工作主要是调用页面迁移（page migration）功能（从这里我们可以看到页面迁移的功能已经不仅仅只针对 NUMA 系统）将左边扫描得到的已分配的页框上的内容转移到右边空闲的空间中，产生的结果如下如下所示，规整后的内存看上去是不是很整齐？

所以Linux的物理页面规整机制，类似于磁盘整理，主要是应用了内核的页面迁移机制，是一种将可移动页面进行迁移后腾出连续物理内存的方法。

三、内存规整触发途径

讲完内存规整的必要性以及基本原理之后，终于来到了本次主题：内存规整有几种方式（情况）？是主动发生还是被动发生？

Linux内核中触发内存规整途径有如下三种途径：

手动触发

通过写1到/proc/sys/vm/compact_memory节点，会手动进行内存规整。它会扫面系统中所有的内存节点上的zone，对每个zone都会做一次内存规整。

以下是笔者在自己的Ubuntu虚拟机上手动触发内存规整的log：

ph@ph-virtual-machine:~$ ls /proc/sys/vm/
admin_reserve_kbytes         dirtytime_expire_seconds   max_map_count              mmap_rnd_compat_bits      overcommit_memory              unprivileged_userfaultfd
compaction_proactiveness     dirty_writeback_centisecs  memfd_noexec               nr_hugepages              overcommit_ratio               user_reserve_kbytes
compact_memory               drop_caches                memory_failure_early_kill  nr_hugepages_mempolicy    page-cluster                   vfs_cache_pressure
compact_unevictable_allowed  extfrag_threshold          memory_failure_recovery    nr_overcommit_hugepages   page_lock_unfairness           watermark_boost_factor
dirty_background_bytes       hugetlb_optimize_vmemmap   min_free_kbytes            numa_stat                 panic_on_oom                   watermark_scale_factor
dirty_background_ratio       hugetlb_shm_group          min_slab_ratio             numa_zonelist_order       percpu_pagelist_high_fraction  zone_reclaim_mode
dirty_bytes                  laptop_mode                min_unmapped_ratio         oom_dump_tasks            stat_interval
dirty_expire_centisecs       legacy_va_layout           mmap_min_addr              oom_kill_allocating_task  stat_refresh
dirty_ratio                  lowmem_reserve_ratio       mmap_rnd_bits              overcommit_kbytes         swappiness
ph@ph-virtual-machine:~$ 
ph@ph-virtual-machine:~$ ls /proc/sys/vm/compact_memory 
/proc/sys/vm/compact_memory
ph@ph-virtual-machine:~$ 
ph@ph-virtual-machine:~$ echo 1 > /proc/sys/vm/compact_memory 
bash: /proc/sys/vm/compact_memory: Permission denied
ph@ph-virtual-machine:~$ 
ph@ph-virtual-machine:~$ sudo echo 1 > /proc/sys/vm/compact_memory 
bash: /proc/sys/vm/compact_memory: Permission denied
ph@ph-virtual-machine:~$ ls -l /proc/sys/vm/compact_memory 
--w------- 1 root root 0  1月 30 15:47 /proc/sys/vm/compact_memory
ph@ph-virtual-machine:~$ sudo su
[sudo] password for ph: 
root@ph-virtual-machine:/home/ph# echo 1 > /proc/sys/vm/compact_memory 
root@ph-virtual-machine:/home/ph#

kcompactd内核线程

Linux内核会为每个NUMA节点分配一个kswapd内核线程，用于回收不经常使用的页面。同时，和页面回收kswapd内核线程一样，还会为每个内存节点创建一个kcompactd内核线程（名称为"kcompactd0"，“kcompactd1"等），用于内存的规整。

NUMA节点描述符struct pglist_data中的struct task_struct *kcompactd成员，用于指向Linux内核为NUMA节点分配的kcompactd进程。而wait_queue_head_t kcompactd_wait成员用于kcompactd进程周期性规整内存时使用到的等待队列。