Linux内存管理之伙伴系统算法

1.伙伴系统算法的提出

内核应该为分配一组连续的页框而建立一种健壮、高效的分配策略。为此，必须解决著名的内存，也就是所谓的外锁片问题（external fragmentation）。频繁的请求和释放不同大小的一组连续页框，必然导致在已分配的块内分散了许多小块的空闲页框。由此带来的问题时，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无法满足。

从本质上来说，避免外碎片的方法有两种：

（1）利用分页单元把一组非连续的空闲页框映射到连续的线性地址空间；

（2）开发一中适当的技术来记录现存的空闲连续页框快的情况，以尽量满足对小块的请求而分割大的空闲块。

Linux内核中引入了伙伴系统算法(buddy system)。把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，对应4MB大小的连续内存。每个页框块的第一个页框的物理地址是该块大小的整数倍。例如，大小为16个页框的块，其起始地址是16*2^12（2^12=4096）的整数倍。

假设要申请一个256个页框的块，先从256个页框的链表中查找空闲块，如果没有，就去512个页框的链表中找，找到了则将页框块分为2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。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1024块存在，则将其中的256页框作为请求返回，剩余的768分成256块和512块分别插到相应的链表中。如果仍然没有，则返回错误。

页框块在释放时，会主动大小为相同的一个空闲伙伴块合成为2倍大小的单独块较大的页框块。两个块称为伙伴需要满足一下条件：

（1）两个块具有相同的大小

（2）它们的物理地址是连连续的。

（3）第一块的第一个页框的物理地址是2*b*2^12的倍数。

2.数据结构

包含一个11元素、元素类型为free_area的一个数组，每个元素对应一块大小。

free_area每个元素中有一个free_list，表示双向循环链表的头，这个双向循环链表集中了大小为2^k页的空闲块对应的页描述符。该链表包含每个空闲页框块（大小为2^k）的起始页框的页描述符。指向链表中相邻元素的指针存放在页描述符的lru字段中。

free_area每个元素还包含一个nr_free字段，它指定了大小为2^k的页框块个数。当然，如果没有大小为2^k的空闲页框块，则nr_free等于0且free_list为空。

一个空闲块的第一个页的描述符的private字段存放了块的order，也就是k。正式由于这个字段，当页框被释放时，内核可以确定这个块的伙伴是否也空闲。如果是的话就可以把两个块合成一个2^(i+1)的块。

3.实现

列举了书上的少量代码。

（1）分配块

__rmqueue()用来在管理区找到一个空闲块。需要两个参数：管理区描述符的地址和order。

struct free_area *area;

unsigned int current_order;

for(current_order=order;current_order<11;++current_order){

area=zone->free_area+current_order;//到相应的数组中

if(!list_empty(&area->free_list)) goto block_found;//进入相应的链表,将相应的page(描述符)从freelist中去掉

}

block_found:

page=list_entry(area->free_list.next,struct page,lru);//找到链表的第一个节点

list_del(&page-lru);

ClearPagePrivate(page);

page->private=0;

area->nr_free--;//相应区域的空闲页框块减少

zone->free_pages -= 1UL<<order;//管理区内的页框更新

如果从curr_order链表中找到的块大于order，就执行一个while循环将剩余的块插到相应的free_list中去。例如申请256，找到1024，则把剩下的块插到256和512的free_list中去。

size = 1<< current_order;

while(curr_order>order){

area--;

curr_order--;

size>>=1;

buddy=page+size;

list_add(&buddy_lru,&area_free_list);

area->nr_free++;

buddy->private=current_order;

setPagePrivate(buddy);

}

（2）释放块

__free_pages_bulk函数按照伙伴系统的策略释放页框。三个参数：page（被释放块的第一个页框描述符地址），zone（管理区描述符地址），order（块大小的对数）。

struct page*base = zone->zone_mem_map;

unsigned long buddy_idx,page_idx=page-base;

struct page* buddy,*coalesced;

int order_size=1<<order;

while(order<10){

buddy_idx=page_idx^(1<<order);//得到伙伴块的索引

buddy=base+buddy_idx;

if(!page_is_buddy(buddy,order))break;//判断符不符合buddy的条件

list_del(&buddy->lru);//满足从链表中删除去合成新的页框块

zone->free_area[order].nr_free--;

ClearPagePrivate(page);

page->private=0;

page_idx &= buddy_idx;

order++;

}

//合成

coalesced = base+page_idx；

coalesced ->private=order;

SetPagePrivate(coalesced );

list_add(&coalesced->lru,&zone->free_area[order].free_list);

zone->free_area[order].nr_free++;