内存管理之伙伴算法

内存管理之伙伴算法

Buddy算法的优缺点：

1）尽管伙伴内存算法在内存碎片问题上已经做的相当出色，但是该算法中，一个很小的块往往会阻碍一个大块的合并，一个系统中，对内存块的分配，大小是随机的，一片内存中仅一个小的内存块没有释放，旁边两个大的就不能合并。

2）算法中有一定的浪费现象，伙伴算法是按2的幂次方大小进行分配内存块，当然这样做是有原因的，即为了避免把大的内存块拆的太碎，更重要的是使分配和释放过程迅速。但是他也带来了不利的一面，如果所需内存大小不是2的幂次方，就会有部分页面浪费。有时还很严重。比如原来是1024个块，申请了16个块，再申请600个块就申请不到了，因为已经被分割了。

3）另外拆分和合并涉及到 较多的链表和位图操作，开销还是比较大的。

Buddy（伙伴的定义）：

这里给出伙伴的概念，满足以下三个条件的称为伙伴：
1）两个块大小相同；
2）两个块地址连续；
3）两个块必须是同一个大块中分离出来的；

Buddy算法的分配原理：

假如系统需要4(2*2)个页面大小的内存块，该算法就到free_area[2]中查找，如果链表中有空闲块，就直接从中摘下并分配出去。如果没有，算法将顺着数组向上查找free_area[3],如果free_area[3]中有空闲块，则将其从链表中摘下，分成等大小的两部分，前四个页面作为一个块插入free_area[2]，后4个页面分配出去，free_area[3]中也没有，就再向上查找，如果free_area[4]中有，就将这16(2*2*2*2)个页面等分成两份，前一半挂如free_area[3]的链表头部，后一半的8个页等分成两等分，前一半挂free_area[2]
的链表中，后一半分配出去。假如free_area[4]也没有，则重复上面的过程，知道到达free_area数组的最后，如果还没有则放弃分配。

Buddy算法的释放原理：

内存的释放是分配的逆过程，也可以看作是伙伴的合并过程。当释放一个块时，先在其对应的链表中考查是否有伙伴存在，如果没有伙伴块，就直接把要释放的块挂入链表头；如果有，则从链表中摘下伙伴，合并成一个大块，然后继续考察合并后的块在更大一级链表中是否有伙伴存在，直到不能合并或者已经合并到了最大的块(2*2*2*2*2*2*2*2*2个页面)。

整个过程中，位图扮演了重要的角色，如图2所示，位图的某一位对应两个互为伙伴的块，为1表示其中一块已经分配出去了，为0表示两块都空闲。伙伴中无论是分配还是释放都只是相对的位图进行异或操作。分配内存时对位图的
是为释放过程服务，释放过程根据位图判断伙伴是否存在，如果对相应位的异或操作得1，则没有伙伴可以合并，如果异或操作得0，就进行合并，并且继续按这种方式合并伙伴，直到不能合并为止。

Buddy内存管理的实现：

提到buddy 就会想起linux 下的物理内存的管理 ,这里的memory pool 上实现的 buddy 系统

和linux 上按page 实现的buddy系统有所不同的是,他是按照字节的2的n次方来做block的size

实现的机制中主要的结构如下:

整个buddy 系统的结构:

struct mem_pool_table

{

#define MEM_POOL_TABLE_INIT_COOKIE (0x62756479)

uint32 initialized_cookie; /* Cookie 指示内存已经被初始化后的魔数,  如果已经初始化设置为0x62756479*/

uint8 *mem_pool_ptr;/* 指向内存池的地址*/

uint32 mem_pool_size; /* 整个pool 的size,下面是整个max block size 的大小*/

uint32 max_block_size; /* 必须是2的n次方,表示池中最大块的大小*/   
boolean assert_on_empty; /* 如果该值被设置成TRUE,内存分配请求没有完成就返回 并输出出错信息*/
 uint32 mem_remaining; /* 当前内存池中剩余内存字节数*/                                              
uint32 max_free_list_index; /* 最大freelist 的下标,*/
struct mem_free_hdr_type     *free_lists[MAX_LEVELS];/* 这个就是伙伴系统的level数组*/

#ifdef FEATURE_MEM_CHECK
uint32 max_block_requested;
  uint32 min_free_mem; /* 放mem_remaining */
#endif /* FEATURE_ONCRPC_MEM_CHECK*/
};

这个结构是包含在free node 或alloc node 中的结构:

其中check 和 fill 都被设置为某个pattern
用来检查该node 的合法性
#define MEM_HDR_CHECK_PATTERN ((uint16)0x3CA4)
#define MEM_HDR_FILL_PATTERN ((uint8)0x5C)

typedef struct  tagBuddyMemBlockHeadType

{

    mem_pool_type pool; /*回指向内存池*/

    uint16 check; 

    uint8 state; /* bits 0-3 放该node 属于那1级 bit 7 如果置1,表示已经分配(not free)

    uint8 fill;

} BUDDY_MEM_BLOCK_HEAD_TYPE;

这个结构就是包含node 类型结构的 free header 的结构:

typedef struct  tagBuddyMemHeadType

{

    mem_node_hdr_type hdr;

    struct mem_free_hdr_type * pNext;   /* next,prev,用于连接free header的双向 list*/

    struct mem_free_hdr_type * pPrev;

} mem_free_hdr_type;

这个结构就是包含node 类型结构的 alloc header 的结构:
已分配的mem 的node 在内存中就是这样表示的

1. typedef struct mem_alloc_hdr_type
   
2. {
   
3.    mem_node_hdr_type hdr;
   
4. 
   
5. #ifdef FEATURE_MEM_CHECK_OVERWRITE
   
6.    uint32     in_use_size;
   
7. #endif
   
8. 
   
9. } mem_alloc_hdr_type;

其中用in_use_size 来表示如果请求分配的size 所属的level上实际用了多少
比如申请size=2000bytes, 按size to level 应该是2048,实际in_use_size
为2000,剩下48byte 全部填充为某一数值,然后在以后free 是可以check 
是否有overwite 到着48byte 中的数值,一般为了速度,只 检查8到16byte

另外为什么不把这剩下的48byte 放到freelist 中其他level 中呢,这个可能
因为本来buddy 系统的缺点就是容易产生碎片,这样的话就更碎了。