前面讲了linux内核空间于用户空间的管理，下面我们就来说说内存管理中，物理内存的分配机制。
前面说过，linux主要是通过页表进行映射的，如果给出的页表不同，那么cpu由某一虚拟地址空间中的地址转化成的物理地址就会不同，所以需要为每个进程建立相应的页表。而内核也需要对每个页面当前的状态进行记录，这些信息就被保存在了一个page结构体数组中，每个页面对应对应一个数组元素。page结构体里记录了进程数、页面状态等信息。大家都知道，随着进程的执行，系统要不断的分配、释放页面，而且频繁的分配、释放，势必会产生内存碎片的问题，所以一个高效、稳定的分配策略是必须的。linux采用伙伴算法来解决碎片的问题，那么下面我们就讲讲这个算法。
伙伴算法将所有空闲的页面分为了10个块链表，而每一个链表上块都有2的幂次个页面，如：第0个链表上的块大小为1个页面，第1个链表上的块大小为2个页面，第2个链表上的块大小为4个页面.。。。其工作原理为：假设分配的块大小为128个页面，那么算法就在128个页面(第7个)的这个链表上查找空闲块，如果找到，就将其分配，如果没有，那么就继续在256个页面大小的这个链表上查找，如果有空闲块，就将其中的128个页面分配给这个块，剩下的128个页面大小的空闲块就插入到上一级链表中，以此类推。而释放块的过程为，假设要释放大小为128个页面的块，释放完毕后，再看与其物理地址相邻，并且在一个链表上的块，如果是空闲块的话，就将其合并，然后挂到下一级链表上，以此类推。而我们刚才合并的那两个块就称为伙伴。
当然，也由它的工作原理可以看出，伙伴算法分配的块，其都是由连续的物理页面组成的，而__get_free_pages()函数就是用于分配物理页块的，函数原型如下：
unsigned long __get_free_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order)
其中gfp_mask，表示对所分配内存的要求常用的参数有GFP_KERNEL(分配内存期间可以睡眠)GFP_ATOMIC(不可以睡眠，用于中断处理程序)。
order表示其所请求的页块大小为2的order次幂个页面。
该函数首先检查order是否10的范围内，继而检查空闲的物理页是否低于许可范围的下界。低于下界，则通过函数：
wake_up_process(struct task_struct *p)
将守护进程唤醒，如：
wake_up_process(kswapd_process)；
unsigned long try_to_free_pages(struct zonelist *zonelist, int order,
gfp_t gfp_mask, nodemask_t *nodemask)
完成的。
页面的分配说完，下面看下页块的释放，页块一般是通过
void free_pages(unsigned long addr, unsigned int order)
来进行释放的。addr表示要回收的页块的首地址，order和前面所说的定义相同。回收的过程中先要检查是否有别的进程使用此页块，有的话就不能回收，回收之后的页块则就插入到相应页块大小的链表中，再看是否可以合并。
前面所说的伙伴算法，每次分配至少一个页面，但是当要分配的空闲区很小时该如何处理？这就引出了slab分配机制。
当给用户态的进程分配页面时，内核调用__get_free_pages()函数，并将分配的页面填充为0。而给内核的数据结构分配页面，首先要对数据结构所在的内存区进行初始化，不使用时就要回收所占内存，这里slab主要引入了对象的概念，这里的对象就是存放一组数据结构的内存区，对象中包含构造和析构函数，所以就将初始化和回收的任务交给这两个函数去完成，为了避免重复初始化对象，slab模式并不丢弃已分配的对象，回收之后依然保留在内存区，当再次请求分配同一对象时，就可在内存中获取而不用再进行初始化。在linux中，对其进行了改进，并不调用构造和析构函数，而是将指向这两个函数的指针都置为空，但是想表达的思想是一致的。linux引用slab的目的就是减少伙伴算法的调用次数。
下面看下slab专用缓冲区的建立与释放，对于预期会频繁使用的内存区，就可以创建一组特定大小的专用缓冲区进行处理，以避免碎片的产生。如用于task_struct、mm_struct等频繁使用的数据结构。专用缓冲区是通过下面的函数
struct kmem_cache *
kmem_cache_create (const char *name, size_t size, size_t align, unsigned long flags, void (*ctor)(void *))
name：缓冲区的名字；
size：对象大小；
align：第一个对象的偏移量，为0时表示标准对齐；
flags：对缓冲区设置的标志；
ctor：构造函数。
对应的，如果想要撤销为这个模块中的数据结构所建立的缓冲区，是通过下面的函数完成的：
void kmem_cache_destroy(struct kmem_cache *cachep)
创建缓冲区之后，就可以通过下面的函数获取对象：
void *kmem_cache_alloc(struct kmem_cache *cachep, gfp_t flags)
该函数返回一个指向对象的指针，当缓冲区没有空闲的对象，那么就调用__get_free_pages()函数获取新的页面。
释放对象时，就用下面的函数，释放后，将对象标记为空闲。
void kmem_cache_free(struct kmem_cache *cachep, void *objp)
通用缓冲区的建立与释放，对于初始化开销不大的数据结构，预期较少使用内存区，就可以合并使用一个通用的缓存区，其类似于物理页面分配中的大小分区，最小为32字节，然后是64、128....，最大为128KB(32个页面)，但其管理方式是slab。通过下面的函数建立和释放缓冲区的：
static __always_inline void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags) void kfree(const void *objp)
在内核中，尤其是驱动程序中，大量的数据结构是一次性使用的，而且占用内存很少，一般情况用kmalloc()分配内存就足够了。前面的字符设备驱动的例子中已经使用了这个方法，大家可以去看看。
还有一种使用vmalloc的方法分配内存去的方法，如下：
void *vmalloc(unsigned long size)
void vfree(const void *addr)
他与kmalloc的区别是：kmalloc分配的的页在物理上是连续的，而vmalloc分配的物理地址无须连续。但是很多内核代码都调用kmalloc的方法，主要是出于性能上的考虑，vmalloc只在绝对必要时才使用，如要获得大块内存时。
下面看一个内存分配的小例子：
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/vmalloc.h>
unsigned long pagemem;
void *kmem;
void *vmem;
static int __init mymem_init(void)
{
printk("mem_init is running..\n");
pagemem = __get_free_page(GFP_KERNEL);
if (!pagemem) {
printk("pagemem failed\n");
return -1;
}
printk("pagemem = 0x%lx\n", pagemem);
kmem = kmalloc(1000, GFP_KERNEL);
if (!kmem) {
printk("kmem failed\n");
return -1;
}
printk("kmem = 0x%p\n", kmem);
vmem = vmalloc(1000);
if (!vmem) {
printk("vmem failed\n");
return -1;
}
printk("vmem = 0x%p\n", vmem);
return 0;
}
static void __exit mymem_exit(void)
{
printk("mem_exit is leaving..\n");
free_page(pagemem);
vfree(vmem);
kfree(kmem);
}
MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(mymem_init);
module_exit(mymem_exit);
大家自己运行查看结果即可。
上面只是内存管理的一个大概的讲解，其实内存管理的东西还是很多很深的，需要下来自己再进行探索研究。