接前一篇文章：中移（苏州）软件技术有限公司面试问题与解答（0）------ 面试感悟与问题记录
本文内容参考：
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本文对于中移（苏州）软件技术有限公司面试问题中的"Linux内存规整有哪几种情况，即内存规整有几种方式？内存规整是主动发生还是被动发生？"进行解答与解析。
一、为什么需要内存规整？
内存可以说是计算机系统中最为宝贵的资源了，基本属于越多越不嫌多、永远感觉不够用。当系统长时间运行后，难免会遇到内存紧张的时候，这时候就需要内核将那些不经常使用的内存页面进行回收、或者将那些可以迁移的页面进行内存规整，从而腾出连续的物理内存页面供后续分配和使用。
本回我们只围绕内存规整展开讲解。伙伴系统是以页为单位管理内存，内存碎片也是基于页面，即由大量离散且不连续的页面组成，这就是外部碎片。所以内核对于内存碎片化，需要重新规划调整（迁移），让原本不连续的物理页面变得连续，这就是内存规整技术产生的原因。
二、内存规整的基本原理
Linux使用的是虚拟地址，以提供进程地址空间的隔离。它还带来一个好处，就是像vmalloc这种分配，不用太在乎实际使用的物理内存的分配是否连续，因此也就弱化了物理内存才会面临的内存碎片化问题。但是如果使用的时kmalloc，则要求物理内存必须连续，系统中空闲内存的总量（比如空闲时10个page），大于申请的内存大小，但是没有连续的物理内存，我们就可以通过migrate（迁移/移动）空闲的page frame，来聚合形成满足需求的连续的物理内存。
对于内存规整技术，其核心的思想是把内存页面按照可移动 、可回收 、不可移动等特性进行分类。详细说明如下：
- 可移动的页面：是指用户程序分配的内存，移动这些页面仅仅是需要修改页表映射关系，代价很低。
- 可回收的页面：是指不可以移动但可以释放的内存。
- 不可移动的页面：目前的内核使用的物理页面。
下面来演示一下规整（compaction）算法的工作原理。代码中会运行两个独立的扫描；一个扫描从区域的底部（bottom）开始（如下图所示从左往右进行扫描），一边扫描一边将可以移动（movable）的页框记录到一个列表中：
另一个扫描从区域的顶部（top）开始（如下图所示从右往左），创建另一个列表，用于记录可作为页框迁移目标的空闲页框位置：
最终，两个扫描会在域中间的某个位置相遇（意味着扫描结束）。
这里顺带提一下，这种方式是一个经典的算法，同时也是一道经典的面试题（虽然不在中移的面试题中，但笔者印象中遇到过两次，一次是将近十年之前的一家小公司的面试，另一次是前不久小米的面试）。
此时，剩下的工作主要是调用页面迁移（page migration）功能（从这里我们可以看到页面迁移的功能已经不仅仅只针对 NUMA 系统）将左边扫描得到的已分配的页框上的内容转移到右边空闲的空间中，产生的结果如下如下所示，规整后的内存看上去是不是很整齐？
所以Linux的物理页面规整机制，类似于磁盘整理，主要是应用了内核的页面迁移机制，是一种将可移动页面进行迁移后腾出连续物理内存的方法。
三、 内存规整触发途径
讲完内存规整的必要性以及基本原理之后，终于来到了本次主题：内存规整有几种方式（情况）？是主动发生还是被动发生？
Linux内核中触发内存规整途径有如下三种途径：
- 手动触发
通过写1到/proc/sys/vm/compact_memory节点，会手动进行内存规整。它会扫面系统中所有的内存节点上的zone，对每个zone都会做一次内存规整。
以下是笔者在自己的Ubuntu虚拟机上手动触发内存规整的log：
bash
ph@ph-virtual-machine:~$ ls /proc/sys/vm/
admin_reserve_kbytes dirtytime_expire_seconds max_map_count mmap_rnd_compat_bits overcommit_memory unprivileged_userfaultfd
compaction_proactiveness dirty_writeback_centisecs memfd_noexec nr_hugepages overcommit_ratio user_reserve_kbytes
compact_memory drop_caches memory_failure_early_kill nr_hugepages_mempolicy page-cluster vfs_cache_pressure
compact_unevictable_allowed extfrag_threshold memory_failure_recovery nr_overcommit_hugepages page_lock_unfairness watermark_boost_factor
dirty_background_bytes hugetlb_optimize_vmemmap min_free_kbytes numa_stat panic_on_oom watermark_scale_factor
dirty_background_ratio hugetlb_shm_group min_slab_ratio numa_zonelist_order percpu_pagelist_high_fraction zone_reclaim_mode
dirty_bytes laptop_mode min_unmapped_ratio oom_dump_tasks stat_interval
dirty_expire_centisecs legacy_va_layout mmap_min_addr oom_kill_allocating_task stat_refresh
dirty_ratio lowmem_reserve_ratio mmap_rnd_bits overcommit_kbytes swappiness
ph@ph-virtual-machine:~$
ph@ph-virtual-machine:~$ ls /proc/sys/vm/compact_memory
/proc/sys/vm/compact_memory
ph@ph-virtual-machine:~$
ph@ph-virtual-machine:~$ echo 1 > /proc/sys/vm/compact_memory
bash: /proc/sys/vm/compact_memory: Permission denied
ph@ph-virtual-machine:~$
ph@ph-virtual-machine:~$ sudo echo 1 > /proc/sys/vm/compact_memory
bash: /proc/sys/vm/compact_memory: Permission denied
ph@ph-virtual-machine:~$ ls -l /proc/sys/vm/compact_memory
--w------- 1 root root 0 1月 30 15:47 /proc/sys/vm/compact_memory
ph@ph-virtual-machine:~$ sudo su
[sudo] password for ph:
root@ph-virtual-machine:/home/ph# echo 1 > /proc/sys/vm/compact_memory
root@ph-virtual-machine:/home/ph# - kcompactd内核线程
Linux内核会为每个NUMA节点分配一个kswapd内核线程，用于回收不经常使用的页面。同时，和页面回收kswapd内核线程一样，还会为每个内存节点创建一个kcompactd内核线程（名称为"kcompactd0"，"kcompactd1"等），用于内存的规整。
NUMA节点描述符struct pglist_data中的struct task_struct *kcompactd成员，用于指向Linux内核为NUMA节点分配的kcompactd进程。而wait_queue_head_t kcompactd_wait成员用于kcompactd进程周期性规整内存时使用到的等待队列。
- 直接内存规整
和页面回收一样，当页面分配器发现在低水位的情况下无法满足页面分配时，会进入慢速路径，在慢速路径中，除了唤醒kswapd内核线程外，还会调用函数__alloc_pages_direct_compact()，尝试整合出一大块空闲内存。
到此就可以比较完美地回答面试的问题了，Linux内存规整有三种情况即方式。其中，kcompactd内核线程以及直接内存规整方式属于被动发生，而手动触发方式属于主动发生（从人的角度看，如果从系统的角度看刚好反过来）。
当然，关于内存规整与内存回收，还有太多细节以及代码需要深入。不过此处重点解答回答面试题，因此在这里不做展开了。关于这方面的详细内容，笔者将会在《Linux内存管理有什么》专栏中予以全面解析。