内存管理(一)——Buddy System内存分配算法

buddy system算法引入的目的

Buddy System是一种经典的内存管理算法，在Unix和Linux操作系统中都有应用。引入Buddy System算法的目的是为了减少内存碎片，增加内存的使用率。

内存碎片：内存碎片就是内存被分割成多个小块，虽然有很多小块是空闲的，但是这些小块之间不连续，无法满足申请大块连续内存的需求。

举个栗子：

比如有一块256KB的连续内存，并且要申请的也是连续内存

1. 申请32K，再申请64K，再申请64K，还剩96K

2. 释放第一个32K，此时剩余内存32K+96K=128K

3. 这时候再申请128K却无法申请到，原因是32K和96K是不连续的，想要申请连续的128K，只能使用另外的内存空间，这就是内存碎片的产生过程。

Linux内核在频繁的申请和释放不同大小的连续页以后，必然会导致已经分配的块内存在许多小的空闲页，由此带来的问题是，即使有足够的空闲页满足需要，但是想分配大块的连续页也无法满足要求。

Buddy system被证明是非常有效的一套内存管理方法，因此也被相当多的OS采用。

buddy system算法原理

伙伴分配算法的流程如下：

一、如果内存被分配

1 寻找一个合适大小的内存，要求大于申请内存request mem，同时以2的k次方为量纲最小的块。

2. 如果找到了，直接分配

3. 如果没有找到，进行以下尝试

a. 拆分一个比request mem更大的内存块，分成两半

b. 如果拆分出来的一半满足request mem要求，并且不能再分，已经是最小的可满足request mem的要求，就分配该块

c. 重复1，寻找合适的内存块

d. 重复以上流程直到找到合适的内存块

二. 如果内存被释放

1. 释放2的k次方内存块

2. 查看内存块的伙伴，也就是被分配的另一半是否也已经free

3. 如果是，则合并，并重复执行直到有一个伙伴没有被free，无法合并

?内存申请、释放示意图：

a. 申请A=70K的内存，将原始的1024K分成两半，分别是512K，512K超过最小需要的内存大小，将512K继续拆分为两个256K，还是超过最小需要的2的n次方大小，继续将一个的256K拆分为2个128K，将其中一个128K分配给A

b. 申请B=35K，与a类似，将另一半128K拆分为2个64K，将其中1个64K分配给B

c. 申请C=80K，与上述步骤类似，拆分另一个256K，将其中一个128K分配给C

d. 释放A，检查A的另一半128K，无法被释放，因此单独释放A

e. 申请D=60K，将分配B时剩下的另一个64K给D

f. 释放B，检查B的另一半64K，无法被释放，单独释放B

g. 释放D，另一半64K是free的，因此合并为128K，128K的另一半也是free的，因此合并为256K

h. 释放C，C的另一半128K是free的，合并为256K，256K的另一半也是free的继续合并为512K，512K的另一半还是free的，继续合并为1024K，最终获得完整的一大块内存

buddy system的缺点

尽管buddy system能够有效减少内存碎片，但是也同样存在一些缺点。

1. 一个很小的块经常会阻碍一个大块的合并

2. 算法中存在浪费现象，即按照2的n次方分配内存，每一块的使用都可能存在冗余内存

3. 拆分和合并涉及到比较多的链表和bitmap操作，开销也比较大