Linux 伙伴系统：内存管理机制剖析387

伙伴系统是一种用于管理计算机内存的内存管理技术，广泛应用于 Linux 操作系统和其他操作系统中。它是一种高效且可扩展的机制，可确保内存资源得到有效利用，并避免内存碎片化。

伙伴系统概述

伙伴系统将可用内存划分为多个大小相等的块，称为伙伴块或页框。每个伙伴块都有一个对应的伙伴，具有相同的大小和地址。当需要分配内存时，系统会搜索伙伴块的空闲列表，并选择一对伙伴块。这些伙伴块被合并为一个更大的块，以满足分配请求。

如果所需的块大小与可用伙伴块的大小不匹配，系统会将较大的伙伴块分割成较小的块。这个过程称为分裂。相反，如果分配的块不再需要，它们可以合并回更大的伙伴块，这个过程称为合并。

伙伴系统组织

伙伴系统使用一个分层树形结构来组织伙伴块。树的每个级别对应于一个特定的伙伴块大小。树的根节点代表所有可用内存，而叶节点代表单个伙伴块。

每个节点都有一个位图，该位图表示该级别伙伴块的可用性。一个比特为 0 表示相应的伙伴块可用，而比特为 1 表示该伙伴块已被分配。

内存分配

当请求分配内存时，系统会从根节点开始搜索伙伴块。如果根节点的位图中有一个可用比特，则系统会选择相应的伙伴块并将其分配给请求。如果根节点没有可用比特，则系统会继续搜索子节点。

系统会递归地遍历树，在每个级别检查位图以查找可用伙伴块。如果在某一级别找到可用伙伴块，则系统会选择该伙伴块并将其分配给请求。否则，系统会继续搜索下一级别。

内存释放

当分配的内存不再需要时，可以释放回伙伴系统。系统会将释放的伙伴块合并回其伙伴。合并过程将一直持续到达到树的根节点或无法再合并为止。

通过合并，系统可以回收释放的内存并将其添加到可用伙伴块的列表中。这有助于防止内存碎片化，并确保系统可以高效地重新利用释放的内存。

优点

伙伴系统具有以下优点：* 高效分配：伙伴系统提供了高效的内存分配机制，可快速查找并分配内存块。
* 最小化碎片：伙伴系统的合并和分裂操作有助于最小化内存碎片化，确保内存资源得到有效利用。
* 可扩展性：伙伴系统是可扩展的，可以管理各种大小的内存配置，从小型嵌入式系统到大型服务器。
* 简单性：伙伴系统的设计简单易懂，便于实现和维护。

2024-11-16

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