buddy内存分配算法

1 普通内存分配方式的缺点以及解决方法：

1.1 普通的动态内存分配方式(如c语言运行库的内存分配malloc、free)：

分配时，是在堆的空闲链表上，查找到第一块空闲的并且足够大的内存，然后对这块内存进行分割，分割一块足够的内存给调用者，剩余部分作为一个新的节点链接到空闲链表里面去；释放时，查找与被释放内存区域连续的节点，如有找到，则合并，如无，则作为一个新的节点放回空闲链表里面去。

1.2 普通的动态内存分配缺点：

多次分配、释放内存操作后，可能会产生大量的外部碎片（下面红色表示已分配的内存块，绿色表示空闲的内存块）。

        例如，经过多次分配后，内存块分布如下所示：

|-------------------------------------------------------------------|------|-------------------------------------------------------------------|------|-------------------------------------------------------------------|

然后有部分内存被释放了，内存块如下所示：

|-------------------------------------------------------------------|------|-------------------------------------------------------------------|------|-------------------------------------------------------------------|

此时，用户申请一块如下所示大小的内存：

|------------------------------------------------------------------------------------------------|

虽然空闲的内存总量比要申请的内存的两倍还多，但由于空闲的内存之间存在着碎片，空闲内存不连续，导致内存无法分配。

1.3 解决方法：

1.3.1 内存地址映射:

应用使用虚拟地址，当内存间存在一定数量的外碎片时，整理内存（将已分配内存拷贝到连续的区域），再将虚拟内存重新进行映射（调整内存映射表）；该方法需要芯片支持虚拟内存映射，即芯片带有MMU；

1.3.2 类聚方法:

分配内存时根据大小确定分配内存的位置，使大小相近的部分集中在一起，避免由于大内存被小内存（碎片）分割，该方式对硬件无要求；

2 Buddy 内存分配算法原理及其实现

2.1 Buddy内存分配算法原理：

2.1.1 需求：

a. 如1.3.2；

b.分配小内存时，要尽可能满足数量上的需求；

c.分配大内存时，要尽可能满足大小上的要求；

2.1.2 实现方式：

需求a要求大小相近的放在一起，需求b和c要求不能用固定位置的方式放，即小内存和大内存是共享一块堆内存空间的。

所以，实现应该是分配内存时，搜索空闲的内存链表，在满足要求的所有节点中，找出这样的节点：

a.如果内存块大小与之相差较小，无需分割，直接分配给用户；

b.如找不到a，那么，需要分割，分割后最好做到分割后，再次申请相近大小的内存时，找到a这样的节点；

c.如找不到b，那么，应分割最小的节点，减少在大内存间产生小碎片的可能性；

2.1.3 Buddy算法思想

a. 注意到实现方式点b，它实际上暗示了该实现方式用的就是二分法；

b. 上面一点结合实现方式点c，提出的需求是，如果二分法分完后，还有大块内存存在，应再产生实现点b，亦即是说，对残余的内存逐步二分，直至产生实现方式b；

2.1.4 Buddy算法过程

a. 初始内存状态如下所示：

|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

b.分配内存：

|----------------------|----------------------|-------------------------------------------|------------------------------------------------------------------------------------------------|

c.再分配内存：

|----------------------|-----------|----------|-------------------------------------------|------------------------------------------------------------------------------------------------|

d.再分配内存：

|----------------------|-----------|----------|---------------------|---------------------|------------------------------------------------------------------------------------------------|

e.再分配内存（看到了类聚的效果）：

|----------------------|-----------|----------|---------------------|---------------------|------------------------------------------------------------------------------------------------|

f.再分配内存：

|----------------------|-----------|----------|---------------------|---------------------|------------------------------------------------------------------------------------------------|

g.释放两块内存：

|----------------------|-----------|----------|-------------------------------------------|------------------------------------------------------------------------------------------------|

h.申请大内存（可以看到，由于小内存集中在一起，没有分割内存，所以可以利用释放掉的两块内存来拼成大内存使用）：

|----------------------|-----------|----------|-------------------------------------------|------------------------------------------------------------------------------------------------|

2.1.5 Buddy算法实现

a.内存池的使用：因为使用的是二分法类聚，应先确定二分法分的类型的个数，假设为BUDDY_LEVEL_COUNT，那么最多分配的内存块个数是2的BUDDY_LEVEL_COUNT - 1次方，假定为BUDDY_PAGE_COUNT；假定最小分配大小为BUDDY_PAGE_SIZE，那么内存池的大小应为BUDDY_PAGE_COUNT X BUDDY_PAGE_SIZE；

b.内存管理数据结构：为了快速找到最小的，满足分配需求的空闲内存块，那么，每种内存类都应有一个空闲内存链表，假设链表节点为Buddy_Memory_Node，那么，存储链表的数组应为Buddy_Memory_Node * arrListFree[BUDDY_LEVEL_COUNT]，数组里面存储每个等级的内存链表；Buddy_Memory_Node可以使用空闲内存直接存储；为了快速可合并的节点，节点最好是顺序链接起来；

c.初始化：arrListFree里内存单元最大的类的链表指向内存池，其他的为空；

d操作：如2.1.4所示；