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深入理解 Slab / Buddy 分配器與 MMU 映射機制

在現代 Linux 內核中，物理內存的管理和虛擬地址的映射是系統性能和資源調度的核心。本文將系統講解 Slab 分配器和 Buddy 分配器如何管理物理內存，并進一步分析 MMU 如何通過四級頁表將這些物理內存映射到虛擬地址空間。

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一、Buddy 分配器：以頁為單位的物理內存管理

Buddy 分配器是 Linux 核心的物理頁分配器，它以 2^n 頁為單位分配連續的內存塊，適合于大塊內存分配需求。

基本功能

• 分配單位：1 頁 = 4KB (x86_64)
• 支持 2^n 頁的分配（如 4KB, 8KB, 16KB, …, 1MB 等）
• 重構形成 Buddy 對，便于合并和釋放

示例

請求 16KB 內存：

alloc_pages(GFP_KERNEL, 2)  // 2^2 = 4 頁 = 16KB

返回一個連續的 16KB 物理地址指針

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二、Slab 分配器：對象級別的內存管理

Slab 分配器用于小塊內存分配，不能簡單通過 buddy 分配器分配不同顏色大小的內存塊。Slab 通常依賴于 buddy 分配器進行基礎頁分配，然后將頁內分割為小對象。

示例

kmalloc(64, GFP_KERNEL) // 分配 64 字節

• slab 分配器會找到 64-byte 的 cache
• 如果無空，則從 buddy 分配 1 頁 (4KB)
• 切割為 64-byte * 64 個對象

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三、MMU 與四級頁表映射機制

由于操作系統對多連續和線性虛擬內存的需求，需要通過四級頁表把虛擬地址 (VA) 映射成物理地址 (PA)，用于 MMU 轉換。

四級頁表結構詳解（以 x86_64 為例）

頁表級別	位數	索引項數	控制范圍
PGD（頂層）	9	512	512 GB
PUD（上層）	9	512	1 GB
PMD（中間）	9	512	2 MB
PTE（底層）	9	512	4 KB
頁內偏移	12	-	4 KB

48 位虛擬地址 = 9 + 9 + 9 + 9 + 12

四級頁表拆解結構圖：

|<----- 9 ---->|<---- 9 ---->|<---- 9 ---->|<---- 9 ---->|<-- 12 -->|
+--------------+-------------+-------------+-------------+----------+
| PGD Index    | PUD Index   | PMD Index   | PTE Index   | Offset   |
+--------------+-------------+-------------+-------------+----------+

• PGD：Page Global Directory（頁全局目錄）
• PUD：Page Upper Directory（頁上級目錄）
• PMD：Page Middle Directory（頁中級目錄）
• PTE：Page Table Entry（頁表項）
• Offset：頁內偏移

四級頁表查找流程圖

graph TD;A[虛擬地址 (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[頁框號 + Offset 得到物理地址]

四級頁表轉換詳細步驟

1. CR3 寄存器中保存 PGD（頁全局目錄）的物理地址。
2. 取虛擬地址的高 9 位，找到 PGD 的索引項，得到下一級 PUD 的物理地址。
3. 取虛擬地址次高 9 位，找到 PUD 的索引項，得到下一級 PMD 的物理地址。
4. 再取 9 位，查找 PMD 的索引項，獲得 PTE 的物理地址。
5. 最低的 9 位用于查找 PTE 表中的頁表項（含物理頁框號 PFN）。
6. 最后的 12 位頁內偏移，加到物理頁框基地址上，形成最終物理地址。

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示例：虛擬地址到物理地址

假設虛擬地址為：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

假設每級查找后頁表物理地址分別如下：

1. PGD[0x0F] -> PUD @ 0x00200000
2. PUD[0x3C] -> PMD @ 0x00300000
3. PMD[0x15] -> PTE @ 0x00400000
4. PTE[0x1A] -> PFN = 0x00500000

最終物理地址：

0x00500000 + 0x89A = 0x0050089A

完整映射流程（結構示意圖）：

graph TD;VA[虛擬地址 0x00007F12_3456789A]VA --> PGD[PGD[0x0F] @ 0x00100000]PGD --> PUD[PUD[0x3C] @ 0x00200000]PUD --> PMD[PMD[0x15] @ 0x00300000]PMD --> PTE[PTE[0x1A] @ 0x00400000]PTE --> PA[物理頁框 0x00500000]PA --> FINAL[最終物理地址 0x0050089A]

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四、Slab/Buddy 分配與 MMU 映射的關系

1. Buddy 分配器分配物理頁，供：

   • 用戶端虛擬內存（進程空間）
   • 內核空間內存（kmalloc/slab/cache）
   • 內核模塊、頁表、內核堆棧等

2. Slab 分配器依賴 buddy 分配頁，將頁切割為對象，重用已分配物理內存塊

3. MMU + 四級頁表完成虛擬地址空間到這些物理頁的映射。進程或內核訪問虛擬地址時，MMU 通過四級頁表找到實際物理頁，實現隔離、保護和高效內存訪問。

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五、核心要點總結

• Buddy / Slab 都分配物理內存，只不過粒度和用途不同
• 虛擬地址通過四級頁表結構映射到物理地址，MMU 保證進程空間隔離和內存保護
• 四級頁表結構的每一級都影響性能和內存消耗，實際 Linux 支持巨頁（1GB/2MB）減少多級查表

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六、參考流程圖

graph TD;U[用戶/內核分配虛擬內存] --> K[Slab/Buddy 向內核申請物理頁]K --> MMU[MMU 建立虛擬到物理映射（四級頁表）]MMU --> X[進程/內核通過虛擬地址訪問數據]X --> MMU2[MMU 查頁表，定位物理地址]MMU2 --> RAM[物理內存訪問]

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