伙伴系统（Buddy System）

引子

在linux的内存管理中，由于不同程序频繁的使用和释放内存，必然会导致内存碎片的产生。
所谓内存碎片就是内存被分割成很小很小的一些块，这些块虽然是空闲的，但是却小到无法使用。随着申请和释放次数的增加，内存将变得越来越不连续。最后，整个内存将只剩下碎片，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就可能无法满足，所以减少内存浪费的核心就是尽量避免产生内存碎片。

内存管理技术

为了减少和管理碎片，Linux 内存管理机制中采用了多种技术：

分页（Paging）：通过将内存分为固定大小的页（通常是 4 KB），有效地减少内部碎片。
分段（Segmentation）：将内存分为不同大小的段，根据进程的实际需求进行分配，可以减少外部碎片。
伙伴系统（Buddy System）：一种高效的内存分配算法，通过将内存块按 2 的幂次划分和合并，减少内外部碎片。
slab 分配器：用于内核对象的内存管理，通过缓存常用对象的内存块，减少内存碎片和分配开销。

内存碎片

内部碎片

定义：内部碎片是指分配给进程的内存块比进程实际需要的内存大，导致未使用的内存空间浪费。

原因：这种情况通常发生在使用固定大小的内存块或页框进行内存分配时。例如，如果一个进程只需要 6 KB 的内存，但系统分配了一个 8 KB 的页框，那么剩余的 2 KB 内存就形成了内部碎片。

外部碎片

定义：外部碎片是指内存中的空闲空间总量虽然足够，但因为这些空闲空间是不连续的，无法满足进程一次性分配的需求。

原因：外部碎片通常出现在动态内存分配中，当进程频繁地分配和释放内存时，内存空间会被分割成许多小块。这些小块虽然总量上足够大，但由于不连续，无法分配给需要大块内存的进程。

为了解决内部碎片和外部碎片，linux的存在两种机制，即伙伴系统和slab分配器，其中本文介绍伙伴系统，另一篇介绍slab的请见本博客另一篇文章(https://www.cnblogs.com/zzzlight/p/18269611)。

伙伴系统

伙伴系统介绍

伙伴系统（Buddy System）是一种高效的内存分配和管理算法，主要用于linux中的外部碎片问题。它通过将内存块划分为大小为 2 的幂次的块，并根据需求动态分配和合并内存块，从而减少内存碎片和分配开销。

主要思想

伙伴系统把所有的空闲页框分组为 11 块链表，每一块链表分别包含大小为1，2，4，8，16，32，64，128，256，512 和 1024 个连续的页框。对1024 个页框的最大请求对应着 4MB 大小的连续RAM 块。每一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，这是一个常规页的大小）的倍数。

分配内存：当需要分配内存时，找到最小的足够大的内存块进行分配。如果没有精确匹配的块存在，则找到更大的块并将其分裂成两个伙伴块，直到得到合适大小的块。

释放内存：当释放内存时，检查它的伙伴块是否也空闲。如果空闲，则将两个伙伴块合并成一个更大的块。这个过程递归进行，直到无法再合并为止。

优点

减少外部碎片：通过将内存块划分为固定大小的块，其可以有效减少外部碎片，因为内存块可以合并和分裂。

高效管理：伙伴系统使用自由链表数组来管理不同大小的块，查找和分配内存块的速度较快。

一个例子

假设我们有 1024 KB 的内存，并且需要分配 100 KB 的内存：

找到最小的足够大的块，即 128 KB 的块。
如果没有 128 KB 的块，找到更大的块（如 256 KB）并将其分裂成两个 128 KB 的块。
分配其中一个 128 KB 的块，剩下的 128 KB 块继续作为空闲块。
当释放这个 128 KB 的块时：检查它的伙伴块是否空闲。如果空闲，则将两个 128 KB 的块合并成一个 256 KB 的块。最后更新自由链表数组。

总结

Buddy System是内存管理的基础，其分配的对象的连续的物理页面，这是一个比较大的粒度，内核会在Buddy System 之上构建更加精细的内存分配机制提供给程序使用，这就是后续将要介绍的Slab。