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本文我們繼續(xù)來介紹Linux內(nèi)存管理，今天要講的是內(nèi)存管理中非常重要的機制伙伴系統(tǒng)。

為了小伙伴們能正確理解今天講的內(nèi)容，這里需要強調(diào)一下，我們今天還是圍繞物理內(nèi)存來講解，請不要和虛擬內(nèi)存弄混淆了。

1.伙伴系統(tǒng)是什么？

伙伴系統(tǒng)是一種內(nèi)存管理算法，用于動態(tài)分配和釋放物理內(nèi)存頁。

該算法的核心思想是將相鄰且大小相等的內(nèi)存頁合并成一個大的內(nèi)存頁，從而減少內(nèi)存碎片的產(chǎn)生和浪費。

在伙伴系統(tǒng)中，每個內(nèi)存頁都有一個伙伴，當(dāng)某個內(nèi)存頁被分配時，系統(tǒng)會查找它的伙伴，如果伙伴也未被分配，則將它們合并成一個更大的內(nèi)存頁。

反之，當(dāng)某個內(nèi)存頁被釋放時，系統(tǒng)會查找它的伙伴，如果伙伴也空閑，則將它們合并成一個更大的內(nèi)存頁。

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Linux通過幾個關(guān)鍵的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)伙伴系統(tǒng)：

• pglist_data：表示內(nèi)存節(jié)點，內(nèi)存節(jié)點詳細(xì)介紹請參考文章圖解Linux內(nèi)存管理_整體架構(gòu)。
• zone：表示內(nèi)存區(qū)域，常見的區(qū)域有ZONE_DMA,ZONE_DMA32,ZONE_NORMAL,ZONE_HIGHMEM,每個區(qū)域都對應(yīng)一個伙伴系統(tǒng)。
• free_area：表示分配階級，總共有MAX_ORDER（通常為11）個分配階級，每個分配階級對應(yīng)的內(nèi)存塊大小為2^order個page。
• free_list：表示頁類型鏈表頭，用于內(nèi)存碎片處理，本文不展開討論。

2.內(nèi)存管理區(qū)域

內(nèi)存管理區(qū)域是伙伴系統(tǒng)一個核心的概念，內(nèi)存節(jié)點被進(jìn)一步劃分成更小的內(nèi)存區(qū)域，這個更小的內(nèi)存區(qū)域稱為內(nèi)存管理區(qū)域（zone），zone的定義如下：

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2.1 為什么需要把內(nèi)存節(jié)點劃分成zone？

Linux系統(tǒng)不能把所有的內(nèi)存都按相同的方式去處理，所以把內(nèi)存節(jié)點劃分成不同的區(qū)域，實現(xiàn)內(nèi)存精細(xì)化管理，比如以下幾種情況，需要將物理內(nèi)存進(jìn)行區(qū)域劃分：

• 舊的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)（Industry Standard Architecture，ISA）總線只能直接訪問 16MB 以下的內(nèi)存，所以需要劃分一個ZONE_DMA區(qū)域來兼容ISA標(biāo)準(zhǔn)。
• X86_32位系統(tǒng)內(nèi)核虛擬地址空間只有1GB，其中896MB空間已經(jīng)用于直接映射，剩余的128M空間需要訪問3GB的物理內(nèi)存空間，所以需要劃分ZONE_HIGHMEM高端內(nèi)存區(qū)域。

2.2 zone類型

zone主要可以劃分為如下幾種類型：

• ZONE_DMA：直接內(nèi)存訪問，是一種允許某些硬件子系統(tǒng)（例如磁盤驅(qū)動器或顯卡）直接訪問系統(tǒng)內(nèi)存的技術(shù)。
• ZONE_DMA32：在32位系統(tǒng)上實現(xiàn)DMA傳輸?shù)囊环N機制，主要用于允許64位或者大于16MB的DMA傳輸。
• ZONE_NORMAL：在Linux內(nèi)存區(qū)域劃分中，表示正常的內(nèi)存區(qū)域，即不包含高端內(nèi)存的區(qū)域。
• ZONE_HIGHMEM：在Linux內(nèi)存區(qū)域劃分中，表示高端內(nèi)存，即不常用的內(nèi)存區(qū)域，通常用于大型數(shù)據(jù)的緩存或者動態(tài)內(nèi)存分配。

Linux內(nèi)存節(jié)點并不一定會包含所有的內(nèi)存區(qū)域類型，多數(shù)情況是只包含部分區(qū)域類型，我們以X86_32和X86_64系統(tǒng)來講解。

X86_32系統(tǒng)物理內(nèi)存劃分如下：

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X86_32系統(tǒng)將物理內(nèi)存劃分為3個zone：

ZONE_DMA：0-16M，DMA內(nèi)存區(qū)域。

ZONE_NORMAL：16M-896M，普通內(nèi)存區(qū)域。

ZONE_HIGHMEM：896M-4GB，高端內(nèi)存只存在于32位系統(tǒng)。

X86_64系統(tǒng)物理內(nèi)存劃分如下：

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X86_64系統(tǒng)將物理內(nèi)存劃分為3個zone：

ZONE_DMA：0-16M，DMA內(nèi)存區(qū)域。

ZONE_DMA32：16M-4GB，DMA32內(nèi)存區(qū)域。

ZONE_NORMAL：4GB-end，普通內(nèi)存區(qū)域。

不同的CPU架構(gòu)和系統(tǒng)支持的內(nèi)存區(qū)域都會有差異，我們可以通過

dmesg | grep "mem"查看Linux系統(tǒng)內(nèi)存區(qū)域的詳細(xì)信息。

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3.伙伴系統(tǒng)初始化

Linux啟動時，伙伴系統(tǒng)并沒有實際物理內(nèi)存，內(nèi)核首先需要根據(jù)系統(tǒng)配置信息初始化各個內(nèi)存區(qū)域，接下來需要將memblock（早期內(nèi)存分配機制）模塊的內(nèi)存釋放至伙伴系統(tǒng)，伙伴系統(tǒng)完成初始化后，memblock將退出歷史舞臺，后續(xù)的物理內(nèi)存分配和回收由伙伴系統(tǒng)來完成。

Linux伙伴系統(tǒng)初始化流程如下：

start_kernel()->mm_init()->mem_init()->memblock_free_all()。

Linux內(nèi)核獲取設(shè)備樹物理內(nèi)存信息初始化memblock，由memblock負(fù)責(zé)早期的內(nèi)存分配工作，memblock完成對應(yīng)的工作后，將未使用的內(nèi)存釋放至伙伴系統(tǒng)，完成伙伴系統(tǒng)的初始化工作。

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4.伙伴系統(tǒng)內(nèi)存分配

伙伴系統(tǒng)常見的內(nèi)存分配函數(shù)如下：

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內(nèi)存分配函數(shù)需要傳入兩個參數(shù)gfp_mask和order。

• gfp_mask：指定從哪個內(nèi)存區(qū)域分配內(nèi)存，內(nèi)存區(qū)域定義如下：

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• order：指定分配階級。

調(diào)用內(nèi)存分配函數(shù)從伙伴系統(tǒng)分配內(nèi)存時，通過gfg_mask和order找到對應(yīng)的分配階級，并申請2^order個page的內(nèi)存塊。

此時會出現(xiàn)兩種情況：

• 情況1：指定分配階級有空閑內(nèi)存塊。

該情況比較簡單，只需要把該內(nèi)存塊分配出去即可。

• 情況2：指定分配階級沒有空閑內(nèi)存塊。

該情況處理起來會復(fù)雜一點，需要向高階分配階級申請空閑內(nèi)存塊，首先向order+1階申請空閑內(nèi)存塊，如果order+1階沒有空閑內(nèi)存塊，繼續(xù)向order+2階申請空閑內(nèi)存塊，以此類推直到在order+n階找到空閑內(nèi)存塊。

將order+n階空閑內(nèi)存塊減半分裂，其中一半插入上一階內(nèi)存鏈表，另外一半內(nèi)存塊繼續(xù)減半分裂，減半后其中一半內(nèi)存塊繼續(xù)插入對應(yīng)的分配階級內(nèi)存鏈表，另外一半內(nèi)存塊繼續(xù)減半分裂，直至內(nèi)存塊符合申請內(nèi)存塊大小。

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這里介紹一下伙伴系統(tǒng)調(diào)試小技巧，通過cat /proc/buddyinfo可以查看伙伴系統(tǒng)所有分配階級內(nèi)存塊情況。

5.伙伴系統(tǒng)內(nèi)存回收

伙伴系統(tǒng)內(nèi)存回收函數(shù)如下：

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調(diào)用內(nèi)存回收函數(shù)同樣需要指定order，指定order的目的是告知伙伴系統(tǒng)當(dāng)前回收的內(nèi)存塊包含2^order個page。

伙伴系統(tǒng)根據(jù)order找到對應(yīng)的分配階級，伙伴系統(tǒng)不會把回收的內(nèi)存塊直接插入內(nèi)存鏈表，而是先在分配階級內(nèi)存鏈表中查找內(nèi)存塊的伙伴。

如果沒有找到內(nèi)存塊的伙伴，則將內(nèi)存塊插入分配階級內(nèi)存鏈表。

如果找到內(nèi)存塊的伙伴，則將內(nèi)存塊和伙伴進(jìn)行合并，形成一個2倍大小的新的內(nèi)存塊，將新的內(nèi)存塊繼續(xù)插入下一個分配階級內(nèi)存鏈表，同時也需要判斷新的內(nèi)存塊是否存在伙伴，以此類推直到未找到內(nèi)存塊伙伴，并將合并后的內(nèi)存塊插入到最終分配階級內(nèi)存鏈表。

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總結(jié)

伙伴系統(tǒng)是Linux內(nèi)存管理的一個重要機制，伙伴系統(tǒng)通過伙伴機制將小塊的內(nèi)存合并，在一定程度上減少了內(nèi)存碎片，同時也實現(xiàn)了分配連續(xù)物理內(nèi)存的功能。