Linux内核研究之伙伴算法

Linux的物理地址一直深受碎片化的困扰。

1、什么是碎片化？

用户频繁地请求和释放不同大小的一组连续页框，必然导致在已分配页框的块内分散了许多小块的空闲页面。
这些小块的空间分散开来，无法分配一个大块的连续页框，这就是物理地址的碎片化。

由此带来的问题是，即使有足够的空闲页框可以满足请求，但要分配一个大块的连续页框可能无法满足请求。

2、伙伴算法的相关概念

伙伴算法（Buddy system）把所有的空闲页框分为11个块链表，每块链表中分布包含特定的连续页框地址空间，第0个块链表包含大小为2 ^ 0个连续的页框，第1个块链表中，每个链表元素包含2 ^ 1个页框大小的连续地址空间，….，第10个块链表中，每个链表元素包含2 ^ 10个页框大小的连续地址空间。每个链表中元素的个数在系统初始化时决定，在执行过程中，动态变化。

伙伴算法每次只能分配2的幂次页的空间，比如一次分配1页，2页，4页，8页，…，1024页(2^10)等等，每页(pageSize)大小一般为4K，因此，伙伴算法最多一次能够分配4M的内存空间。

两个内存块，大小相同，地址连续，同属于一个大块区域。（第0块和第1块是伙伴，第2块和第3块是伙伴，但第1块和第2块不是伙伴）

伙伴位图：用一位描述伙伴块的状态位码，称之为伙伴位码。比如，bit0为第0块和第1块的伙伴位码，如果bit0为1，表示这两块至少有一块已经分配出去，如果bit0为0，说明两块都空闲，还没分配。

Linux为每个管理区使用不同的伙伴系统，内核空间分为三种区，DMA，NORMAL，HIGHMEM，对于每一种区，都有对应的伙伴算法。

3、申请和回收内存的过程

比如，我要分配4(2^2)页（16k）的内存空间，算法会先从free_area[2]中查看nr_free是否为空，如果有空闲块，则从中分配，如果没有空闲块，就从它的上一级free_area[3]（每块32K）中分配出16K，并将多余的内存（16K）加入到free_area[2]中去。如果free_area[3]也没有空闲，则从更上一级申请空间，依次递推，直到free_area[max_order]，如果顶级都没有空间，那么就报告分配失败。

释放是申请的逆过程，当释放一个内存块时，先在其对于的free_area链表中查找是否有伙伴存在，如果没有伙伴块，直接将释放的块插入链表头。如果有或板块的存在，则将其从链表摘下，合并成一个大块，然后继续查找合并后的块在更大一级链表中是否有伙伴的存在，直至不能合并或者已经合并至最大块2^10为止。

4、伙伴算法的优缺点

优点：

较好的解决外部碎片问题

当需要分配若干个内存页面时，用于DMA的内存页面必须连续，伙伴算法很好的满足了这个要求

只要请求的块不超过512个页面(2K)，内核就尽量分配连续的页面。

针对大内存分配设计。

缺点：

1. 合并的要求太过严格，只能是满足伙伴关系的块才能合并，比如第1块和第2块就不能合并。

2. 碎片问题：一个连续的内存中仅仅一个页面被占用，导致整块内存区都不具备合并的条件

3. 浪费问题：伙伴算法只能分配2的幂次方内存区，当需要8K（2页）时，好说，当需要9K时，那就需要分配16K（4页）的内存空间，但是实际只用到9K空间，多余的7K空间就被浪费掉。

4. 算法的效率问题： 伙伴算法涉及了比较多的计算还有链表和位图的操作，开销还是比较大的，如果每次2 ^ n大小的伙伴块就会合并到2 ^ (n+1)的链表队列中，那么2 ^ n大小链表中的块就会因为合并操作而减少，但系统随后立即有可能又有对该大小块的需求，为此必须再从2 ^ (n+1)大小的链表中拆分，这样的合并又立即拆分的过程是无效率的。

Linux针对大内存的物理地址分配，采用伙伴算法，如果是针对小于一个page的内存，频繁的分配和释放，有更加适宜的解决方案，如slab和kmem_cache等，这不在本文的讨论范围内。