【08】内存碎片治理：compaction / migration / CMA（kcompactd）
本文把 “高阶分配失败 → compaction/migration → 证据与调参” 讲清，并把
vm.compaction_proactiveness、vm.extfrag_threshold等 sysctl 映射到源码。基线：Linuxv5.15.200（arm64）。
0. 目标与边界
- 序号（1..N）：08
- 模块/主题：compaction + migrate + CMA
- Kernel：
v5.15.200，Arch：arm64 - 源码树：
/Volumes/CF/code/source-code/linux-5.15.200 - 覆盖：
- compaction 主路径与关键数据结构
- migrate 的失败分类（作为慢路径种子）
- CMA 的定位与调试入口
- sysctl 与 debugfs（extfrag）的观测与生效点
- 不覆盖：
- reclaim 策略本体（见【06】）
- THP/hugetlb 的策略细节（见【09】）
1. 设计原理
- buddy allocator 需要连续物理页块（order>0），碎片化会让高阶分配失败（见【05】）。
- compaction 通过“隔离可迁移页 → 迁移到新位置 → 形成更大连续空闲块”来恢复高阶可用块。
- trade-off：
- compaction 会搬运页，可能引发锁竞争、TLB shootdown、CPU 消耗；
- 被 pin 的页（GUP longterm 等）会显著降低可迁移性（与【13】交界）。
2. 关键数据结构详解
mm/compaction.c: struct compact_controlmm/migrate.c：迁移控制结构（按migrate_pages()的参数与 helper 路线追）- pageblock/migratetype：碎片化的根源之一（建议结合
/proc/pagetypeinfo读）
3. 核心流程源码走读
3.1 Happy path：高阶分配触发 compaction（概念主线）
mm/page_alloc.c: alloc_pages_slowpath()（见【05】）mm/compaction.c：进入 compaction（如compact_zone()等）- 隔离页：
- isolate freepages
- isolate migratepages
mm/migrate.c: migrate_pages()：执行迁移- 形成更大连续 free block，回到分配路径满足需求
3.2 kcompactd：后台 compaction
- 创建点：
mm/compaction.c内kthread_run(kcompactd, ...)（证据见 mm-evidence） - 作用：在后台主动进行 compaction，降低前台高阶分配时的同步代价（受 sysctl 控制，见 §5）
4. 慢速/异常路径详解
4.1 迁移失败分类（你排障时最关心）
- 为什么迁移会失败：
- 页不可迁移（migratetype/锁定/写回/引用等条件）
- pin 导致不可移动（GUP/pinning；见【13】）
- 内存压力下迁移与回收互相干扰
- 你需要在代码里把“失败原因 → 返回码/统计 → 可观测证据”对齐（从
migrate_pages()的返回值与 tracepoints 入手）。
4.2 extfrag 与“看似有很多空闲页但无法满足高阶”
- 现象：
MemFree不低，但高阶分配仍失败 - 根因：碎片化（外部碎片），可通过 extfrag 指标/
/proc/buddyinfo证明
5. 调优参数与观测指标（映射到源码）
5.1 sysctl：compaction 相关关键项
vm.compact_memory- 注册：
/Volumes/CF/code/source-code/linux-5.15.200/kernel/sysctl.c - 注释/入口：
/Volumes/CF/code/source-code/linux-5.15.200/mm/compaction.c（包含对该 sysctl 的说明） - 生效：手动触发 compaction（写入触发）
- 注册：
vm.compaction_proactiveness- 注册：
kernel/sysctl.c - 数据/handler：
mm/compaction.c: sysctl_compaction_proactiveness+compaction_proactiveness_sysctl_handler() - 生效：后台 proactive compaction 的力度/阈值
- 注册：
vm.extfrag_threshold- 注册：
kernel/sysctl.c - 数据：
mm/compaction.c: sysctl_extfrag_threshold - 生效：作为启发式，影响是否进行 compaction（避免做“无用功”）
- 注册：
5.2 debugfs：extfrag 指标
- 创建点：
/Volumes/CF/code/source-code/linux-5.15.200/mm/vmstat.c（debugfs_create_dir("extfrag", ...)） - 文件：
extfrag/extfrag_indexextfrag/unusable_index
- 用法：把碎片化从“感觉”变成“证据”，再决定是否该调 compaction 相关 sysctl 或调整工作负载行为。
6. 常见问题与源码级解释
6.1 症状：驱动/THP/hugetlb 需要高阶页，经常失败
- 证据：
/proc/buddyinfo高 order 空闲块少；extfrag 指标高 - 路线：
alloc_pages_slowpath()→ compaction → migrate_pages - 根因定位：
- 是否大量不可迁移/被 pin 的页阻塞迁移（转【13】）
- 是否后台 compaction 被关闭或力度不足（
vm.compaction_proactiveness）
7. 分析工具箱
- buddyinfo/pagetypeinfo/extfrag
- 命令：
cat /proc/buddyinfo、cat /proc/pagetypeinfo、cat /sys/kernel/debug/extfrag/extfrag_index（路径按系统）
- 命令：
- perf/ftrace：确认是否频繁 compaction
- 关注：
compact_zone、migrate_pages、以及 vmscan 交界
- 关注：
- 源码导航
K=/Volumes/CF/code/source-code/linux-5.15.200rg -n \"\\bcompact_memory\\b|\\bcompaction_proactiveness\\b|\\bextfrag_threshold\\b\" $K/kernel/sysctl.c $K/mm/compaction.crg -n \"\\bcompact_zone\\b|\\bmigrate_pages\\b\" $K/mm/compaction.c $K/mm/migrate.crg -n \"debugfs_create_dir\\(\\\"extfrag\\\"\" $K/mm/vmstat.c
附录 I：讲解提纲包（Explain Pack）
30 秒定义
compaction/migration 通过搬运可迁移页来恢复连续物理页块，缓解外部碎片化导致的高阶分配失败；sysctl 与 extfrag 指标帮助你判断“该不该做、做多少、有没有效果”。