Linux 内存管理实践：伙伴系统、slab、mmap 与 OOM

一句话定义

Linux 把教材模型工程化为三层：伙伴系统（buddy allocator）管理物理页框、slab 分配器在其上服务小对象、mmap/brk 为进程构建虚拟区间（VMA），并用 OOM killer 作为内存耗尽的最后防线。

为什么重要

教材讲原理，运维与开发每天面对的是这套真实机器：free 输出怎么读、Java 服务为什么 RSS 缓慢爬升不回落、OOM 杀进程为什么"看起来随机"。理解本节，能把 kp-016~kp-018 的模型对应到 /proc 里的每一个字段，这是性能观测（kp-031）的内存部分基本功。

前置知识

kp-018（缺页、匿名页与文件页）；kp-017（页与帧）。

核心概念

• 伙伴系统：以 2 的幂（order 0~10，即 4KB~4MB）管理页框，分配时找最小可用块、对半分裂，释放时递归合并"伙伴"。
• slab/slabtop：内核小对象（task_struct、inode 等）的对象缓存，按类型预分配整页切成等大小对象，避免内部碎片与反复构造。
• VMA（virtual memory area）：进程地址空间的连续区间描述（代码/堆/栈/文件映射），/proc/pid/maps 就是 VMA 列表。
• mmap 的两种用途：文件映射（页缓存直接映射进地址空间）与匿名映射（大块堆、线程栈）。
• RSS/VSS：驻留集（真实占用的物理页）vs 虚拟空间大小。
• OOM killer：内存与 swap 耗尽时按 badness 评分选择牺牲者（默认偏向内存大、OOM 评分高的进程）。

原理与机制

分层结构：

用户: malloc/free (glibc ptmalloc, 自带小块缓存与竞技场)
  |-- 小块(<128KB): brk/mmap 扩展堆, 空闲链表管理, 释放常不归还OS
  |-- 大块: 直接 mmap, munmap 立即归还
内核: VMA 记录区间 -> 访问时缺页 -> 伙伴系统分配页框
  |-- 内核自身小对象: slab 缓存 (kmalloc 底层)
回收: kswapd 后台 + 直接回收, 按 swappiness 倾向换出匿名页/丢弃干净文件页
最后: 内存+swap 全耗尽 -> OOM killer 评分选杀

两个最反直觉的事实：malloc 成功 ≠ 物理内存到手（只登记 VMA，首次写入才缺页分配——惰性分配，calloc 的大块甚至先给共享的零页）；free() 后 RSS 常不下降（glibc 把小块留在空闲链表复用，glibc arenas 默认按核数增长，多线程 Java/C 服务 RSS 爬升的常见根因，MALLOC_ARENA_MAX 可调）。

直观类比

伙伴系统像只备标准规格包装纸的礼品店：任何需求都拆分成 2 的幂组合，退回的纸只要原尺寸相邻就能拼回大张。slab 像快餐店的餐盘架：盘子（对象）洗好码放，取用归还都是 O(1)，不为每个客人现造盘子。

实例或案例

free -h                 # available 才是"可用内存", free 不含可回收缓存
cat /proc/buddyinfo     # 每个订单(2^order)的空闲块数, 连续大页紧缺时高阶为0
slabtop                 # 内核 slab 对象实时排行（dentry/inode 缓存常居首）
strace -e trace=mmap,munmap,brk ./a.out    # 观察分配路径
grep -i oom /var/log/syslog 或 journalctl -k | grep -i oom   # OOM 事件取证

实验：malloc(1GB) 后仅 memset 一半，/proc/pid/smaps_rollup 中 Rss 只涨一半——惰性分配的直接证据。

常见误区

• 读 free 只看 free 列：buff/cache 可被回收，available 才接近真实余量。
• 认为 OOM 是内核 bug：它是资源耗尽的策略性止损，正确响应是查泄漏或加资源限额（cgroup，见 kp-029）。
• 混淆 VSZ 与 RSS：VSZ 是登记的虚拟空间，RSS 才是实际占用；容器内存限额监控必须用 RSS/cgroup 计数。

与其他知识点的关系

伙伴系统是 kp-016 分配策略的工程答案；slab 服务 kp-005 的 task_struct 等对象；cgroup 内存限额（kp-029）触发的是同一套回收与 OOM 逻辑。

延伸阅读

《深入理解 Linux 内核》第 8 章；内核文档 Documentation/admin-guide/mm。

自测题

1. malloc 成功但物理内存没变化，为什么？

答：分配器只在虚拟地址空间登记 VMA；首次写入才触发缺页，由伙伴系统分配真实页框，即惰性（按需）分配。

1. 伙伴系统如何解决外碎片？

答：所有块为 2 的幂，分裂与合并保证任意相邻同阶空闲块总可合并回更大块，大块永远不会被切碎到无法重组。

1. 多线程服务 RSS 缓慢爬升的可能原因？

答：glibc 每核一个 malloc arena 的默认策略使线程各自持有空闲内存不归还；可通过 MALLOC_ARENA_MAX、或换 jemalloc/tcmalloc、或大块改用 mmap 分配缓解。