Linux内存-伙伴系统

Posted 2020-12-21 guoxianqi

一、外部碎片

 

 

假设这是一段连续的页框，阴影部分表示已经被使用的页框，现在需要申请一个连续的5个页框。

这个时候，在这段内存上不能找到连续的5个空闲的页框，就会去另一段内存上去寻找5个连续的页框，这样子，久而久之就形成了页框的浪费。称为外部碎片

二、伙伴系统

Linux内核通过伙伴算法来管理物理内存。

伙伴系统（BuddySystem）在理论上是非常简单的内存分配算法。

它的用途主要是尽可能减少外部碎片，同时允许快速分配与回收物理页面。

伙伴系统的宗旨就是用最小的内存块来满足内核的对于内存的请求

 

三、伙伴算法分配原理

伙伴算法把内存所有的空闲页框分组为11个块链表，每个块链表分别包含大小为1、2、4、8、16、32、64、128、256、512和1024个连续页框的页框块。

最大可以申请1024个连续页框，也即4MB大小的连续空间。

 

假设要申请一个256个页框的块，

1、先从256个页框的链表中查找空闲块，如果有，则分配

2、如果没有，就去512个页框的链表中找，找到了即将页框分为两个256个页框的块，一个分配给应用，另外一个移到256个页框的链表中。

3、如果512个页框的链表中仍没有空闲块，继续向1024个页框的链表查找，如果仍然没有，则返回错误。

 

三、伙伴算法释放原理

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，

1、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

2、如果有，则从链表中摘下伙伴，合并成一个大块，

3、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。

 

四、查看各个连续页框的数量

# cat /proc/buddyinfo 
Node 0, zone      DMA      1      0      1      0      2      1      1      0      1      1      3 
Node 0, zone    DMA32    389    319    319    239    272    194    283    296    220      0      0 
Node 0, zone   Normal 428672 598338 153982  10634   1440    386    109     48     11      0      0 
Node 1, zone   Normal 778744 1170289 240097  16045   1986    251     35      2      0      0      0 

我们拿Normal区域进行分析，

第二列值，表示当前系统中normal区域，可用的连续两页的数量为598338

第三列值，表示当前系统中normal区域，可用的连续四页的数量为153982

 

五、优点和缺点

1、优点

• 解决内存碎片问题
• 避免把内存拆得太碎得同时，使内存的分配和释放过程迅速

 

2、缺点

• 虽然解决了内存碎片问题，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。）
• 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。
• 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。