在Linux内核中，页面分配器通过 gfp_mask（分配掩码） 确定可以从哪些内存区域（zone）分配内存。这一过程涉及对zone的优先级排序和条件检查，具体逻辑如下：
一、内存区域（zone）的分类
Linux内核将物理内存划分为多个zone，常见的有：
ZONE_DMA
供DMA设备使用的物理内存（通常为前16MB）。
ZONE_DMA32
供32位DMA设备使用的内存（通常为前4GB）。
ZONE_NORMAL
内核可直接映射的普通内存（64位系统中通常覆盖全部物理内存）。
ZONE_HIGHMEM
仅在32位系统中存在，用于管理超过内核直接映射范围的内存（如物理内存 > 896MB）。
二、从gfp_mask解析zone优先级
分配器通过gfp_mask中的标志位确定允许的zone列表及其优先级顺序：
1. 直接指定目标zone
__GFP_DMA
强制从ZONE_DMA分配。
__GFP_DMA32
强制从ZONE_DMA32分配。
__GFP_HIGHMEM
允许从ZONE_HIGHMEM分配（仅在32位系统有效）。
2. 隐式zone选择（默认逻辑）
若未明确指定zone标志，分配器按以下优先级选择zone：
ZONE_NORMAL → ZONE_DMA32 → ZONE_DMA
适用于大多数内核分配请求（如GFP_KERNEL）。
ZONE_HIGHMEM → ZONE_NORMAL → ...
仅当用户请求包含__GFP_HIGHMEM且系统为32位时触发。
三、分配流程
1.解析gfp_mask
根据标志位生成允许的zone列表（例如__GFP_DMA | __GFP_NORMAL表示允许ZONE_DMA和ZONE_NORMAL）。
2.按优先级遍历zone
从最高优先级（如ZONE_DMA）到最低优先级（如ZONE_HIGHMEM）依次检查每个zone。
3.检查zone的水位线（watermark）
仅当zone的空闲页数 ≥ 最低水位线（min） 时，才允许分配。
若gfp_mask包含__GFP_HIGH或__GFP_ATOMIC，允许使用紧急保留内存（低于min但高于min+reserve）。
4.选择第一个满足条件的zone
一旦找到符合条件的zone，立即从中分配内存。
四、示例场景
场景1：DMA内存分配
gfp_mask = __GFP_DMA | GFP_KERNEL;
允许的zone：仅ZONE_DMA。
检查逻辑：若ZONE_DMA的空闲页 ≥ min，则分配；否则失败。
场景2：默认内核分配
gfp_mask = GFP_KERNEL; // 不指定zone标志
允许的zone：ZONE_NORMAL → ZONE_DMA32 → ZONE_DMA（按优先级）。
检查逻辑：依次检查每个zone的水位线，选择第一个满足条件的zone。
场景3：GFP_ATOMIC
分配过程不可睡眠，优先从预留内存或ZONE_NORMAL快速分配，避免触发复杂回收机制。
场景4：GFP_HIGHUSER_MOVABLE
包含__GFP_HIGHMEM标志，优先从ZONE_HIGHMEM分配用户空间可移动的页面。
五、核心函数与代码路径
1.get_page_from_freelist()
遍历zone列表，检查水位线并尝试分配。
2.gfp_zone(gfp_mask)
将gfp_mask转换为zone类型（如ZONE_DMA）。
3.zone_watermark_ok()
检查指定zone的水位线是否满足分配条件。
六、性能优化与注意事项
1.避免过度分散分配
频繁指定__GFP_DMA可能导致ZONE_NORMAL碎片化。
2.NUMA架构扩展
在多节点（NUMA）系统中，gfp_mask可能包含__GFP_THISNODE，强制从本地节点分配。
3.调试支持
启用CONFIG_DEBUG_VM时，分配器会严格检查gfp_mask与zone的合法性。
七、实现代码逻辑
在源码中，zone选择的核心逻辑如下（以Linux 5.x为例）：
// include/linux/gfp.h
#define gfp_zone(mask) ((mask) & (__GFP_DMA | __GFP_HIGHMEM | __GFP_DMA32))
// mm/page_alloc.c
struct page *alloc_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order) {
enum zone_type highest_zoneidx = gfp_zone(gfp_mask);
// 遍历允许的zone，尝试分配内存
for_each_zone_zoneidx(zone, highest_zoneidx) {
page = __alloc_pages_cpuset_fallback(gfp_mask, order, zone);
if (page) return page;
}
return NULL;
}
总结：gfp_mask通过标志位隐式或显式定义允许的zone范围，分配器按优先级和内存水位线选择第一个可用的zone。这一机制在保证硬件兼容性（如DMA）的同时，优化了内存分配效率。