linux内存管理---伙伴系统算法

伙伴系统算法：

该算法用于分配内存，一个合理的分配内存算法应当拥有这两部分：

1. 分配内存
2. 释放内存

符合以下三个要求的就算是伙伴：

1. 两个块的大小相同
2. 两个块的地址连续
3. 两个块必须是从同一个大块分离出来的

原理：

linux把每个zone分成MAX_ORDER个free_area，每个free_are的大小是2的幂次方。MAX_ORDER的值为11，第0组大小为2^0个页，第1组大小为2^1个页，依次类推，最大的是2^10个页，即1024*4KB=4MB。同样大小的块形成一个链表。每个free_area都维护了一个位图，该位图表示所有的空闲块，有n个空闲块，则有n/2位，每位对应两个伙伴块，为0代表两块都空闲，为1表示其中一块忙。在每次分配或者释放时，都要进行异或运算，意思是，初始阶段两块都空闲，值为0；使用了其中一块之后，值异或为1；另外一块如果也使用了，值异或为0；其中一块释放两，值异或为1；两块都释放了，异或为0。

有关结构体：

struct free_area{    struct list_head free_list; //每个free_area链表的头结点    unsigned long    nr_free;   //空闲链表的数量};struct zone{    ....    struct free_area free_area[MAX_ORDER];    ....}

分配内存：

先找到等于或者最接近2的幂次方的链表，查看对应的free_area的nr_free是否还有剩余，如果有的话，则直接分配；如果没有的话，则从更大一级的free_area中寻找，如果有空的，就将该结点取出来，分成两半，称为伙伴，一半用于内存分配，另一半整合到小一级的free_area中；如果还是没有，则继续上面的过程。

释放内存：

释放内存其实是分配的逆过程，当释放一个块时，先查找对应的free_area中的链表中是否有伙伴存在，如果没有，则直接把释放的块插入free_area结构体成员free_list中；如果有的话，则将其伙伴从链表中取下，合并成一个大块，然后在这个大块对应的free_area中查找是否有伙伴，依次类推，直到不能合并为止。

优点：

1. 减少了空闲分区，提高了空间利用率
2. 可以分配连续的内存页面
3. 适合大内存分配

缺点：

1. 合并需要严格的条件，不是伙伴不能合并
2. 如果两个大小相同的内存块之间有一个小的内存块，则这两个内存块不能合并
3. 只能分配2的幂次方内存区，会造成浪费。比如需要17K时，就只能分配32K大小的内存空间，剩下的15K就被浪费了
4. 由于是用链表和位图进行操作，算法开销比较大